JP7614484B2 - ラインパイプ用電縫鋼管、及びラインパイプ用熱延鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、ラインパイプ用電縫鋼管、及びラインパイプ用熱延鋼板に関する。

海底に敷設されるパイプラインは、高圧流体を内部に通す。パイプラインはさらに、波浪による繰り返し歪みと、海水圧とを受ける。そのため、海底のパイプラインに使用される鋼管には、高い強度と高い低温靭性とが要求される。

パイプラインは、複数のラインパイプで構成される。ラインパイプ用の鋼管として、電気抵抗溶接鋼管（以下、電縫鋼管という）が利用される場合がある。電縫鋼管の肉厚を厚くすれば、高強度が得られる。しかしながら、肉厚が厚くなれば、脆性破壊が生じやすく、低温靭性が低下する。

低温靭性の指標として、ＤＷＴＴ（Drop Weight Tear Test：落重試験）保証温度がある。ＤＷＴＴ保証温度は、ＤＷＴＴにおいて８５％以上の延性破面率を有する温度を意味する。ＤＷＴＴ保証温度が低いほど、低温靭性が高いことを意味する。近年、ラインパイプ用電縫鋼管では、優れた低温靭性が要求されている。

特許文献１は、厚さ中央部の組織において、平均結晶粒径が１５μｍ以下及び粗大結晶粒率が２０％以下であり、フェライト分率が６５％以上及び硬質相分率が１０～２０％であり、硬質相のサイズが６．０μｍ以下であるラインパイプ用鋼材を開示している。このような組織とすることにより、優れた低温靭性と十分な強度とを有するラインパイプ用鋼材が得られる。

一方、結晶粒を微細化する手段として、仕上げ圧延における歪みの蓄積を活用した組織制御が知られている。

特許文献２は自動車用高強度鋼板に関し、最終の３つの圧延スタンドのそれぞれの圧延荷重が１つ前の圧延スタンドの圧延荷重の８０％以上となるように仕上げ圧延し、鋼板に連続して高負荷をかけることにより、鋼板中にオーステナイトの動的再結晶を発現させ、オーステナイトの結晶粒を細かくしかつオーステナイト粒界に高い転位密度を導入し、以降の強制冷却の際にオーステナイト粒界から核生成するフェライトの生成頻度を高めて微細なフェライト粒の生成を増加させることを開示している。

特開２０１８－１０４７５７号公報 国際公開第２０１９／８８１０４号

原油・天然ガスを長距離輸送するパイプラインに使用するラインパイプ用電縫鋼管は、深海への適用が活発化しており、厚肉と低温靭性の両立が技術的な課題となっている。近年では、厚肉１２ｍｍ以上で、パイプ段階でのＤＷＴＴ保証温度が－４０℃以下であるラインパイプ用電縫鋼管の要求もある。しかしながら、上述のとおり、肉厚が厚くなれば、脆性破壊が生じやすく、低温靭性が低下するので、肉厚を厚くする場合は、低温靭性をさらに向上させる必要がある。

本発明は、上記の事情に鑑み、たとえば１２ｍｍ以上の厚肉で、ＤＷＴＴ保証温度が－４０℃以下である優れた低温靭性と、十分な強度を有するラインパイプ用鋼材を提供することを課題とする。

厚肉高靭性化には最終組織の結晶粒微細化が有効であることが知られている。特に板厚中心部における結晶粒微細化が重要である。

最終組織の結晶粒微細化には、変態前のオーステナイトの制御が重要である。具体的には、オーステナイトの粒界面積の増加、変形体の導入と、転位密度の増加のため、オーステナイト中に歪みを蓄積させることが重要である。上述のとおり、自動車用を始めとした熱延鋼板では、仕上げ圧延における歪みの蓄積を活用した組織制御、商品開発が多く検討されている。

しかしながら、厚肉の熱延鋼板では、たとえば自動車用の熱延鋼板と比べ板厚が厚く、仕上げ圧延機での圧下量が制約されるため、仕上げ圧延において歪みは蓄積しにくい。

本発明者らは、厚肉の熱延鋼板に仕上げ圧延において歪みを蓄積させ、結晶粒を微細化する方法について鋭意検討した。その結果、仕上げ圧延に入る前の工程において、板厚中心と表層において大きな温度差が生じるように制御することで、熱歪みにより、仕上げ圧延工程において板厚中心に大きな歪みを蓄積させることができ、板厚中心において、従来よりも結晶粒を微細にすることができることがわかった。本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を進めてなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。

［１］母材部、及び電縫溶接部を含むラインパイプ用電縫鋼管であって、前記母材部の化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００３０～０．１２０％、Ｓｉ：０．０５～０．３０％、Ｍｎ：０．５０～２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１００％以下、Ａｌ：０．０１０～０．０３５％、Ｎ：０．００１０～０．００８０％、Ｎｂ：０．０１０～０．０８０％、Ｔｉ：０．００５～０．０３０％、Ｎｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｏ：０．１０～０．２５％、Ｏ：０．００５０％以下、Ｖ：０～０．１０％、Ｃａ：０～０．００５０％、Ｃｒ：０～０．３０％、Ｃｕ：０～０．３０％、Ｍｇ：０～０．００５０％、ＲＥＭ：０～０．０１００％、及び残部：Ｆｅ及び不純物からなり、下記式（１）で定義されるＦ１が０．３０～０．４２であり、前記母材部の肉厚中央部の金属組織において、面積率で、フェライト分率が４０～８０％であり、残部がベイナイトであり、平均結晶粒径が５．０μｍ以下であり、前記母材部の表層部の金属組織において、平均結晶粒径が５．０μｍ以下であり、前記表層部と前記肉厚中央部の前記平均結晶粒径の差が２．０μｍ以下であるラインパイプ用電縫鋼管。
Ｆ１ ＝ Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／３
＋Ｎｂ／３ … 式（１）
〔式（１）において、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、及びＮｂは、それぞれ、各元素の含有量（質量％）を表す。〕

［２］前記母材部の化学組成が、質量％で、Ｖ：０％超０．１０％以下、Ｃａ：０％超０．００５０％以下、Ｃｒ：０％超０．３０％以下、Ｃｕ：０％超０．３０％以下、
Ｍｇ：０％超０．００５０％以下、及びＲＥＭ：０％超０．０１００％以下からなる群から選択される１種以上を含有する前記［１］のラインパイプ用電縫鋼管。

［３］管軸方向の降伏強度が５５５～７０５ＭＰａであり、管軸方向の引張強度が６２５～８２５ＭＰａである前記［１］又は［２］のラインパイプ用電縫鋼管。

［４］肉厚が１２～２５ｍｍであり、外径が３０４．８～６６０．４ｍｍである前記［１］～［３］のいずれかのラインパイプ用電縫鋼管。

［５］前記［１］～［４］のいずれかのラインパイプ用電縫鋼管の製造に用いられる熱延鋼板であって、化学組成が、質量％で、Ｃ：０．００３０～０．１２０％、Ｓｉ：０．０５～０．３０％、Ｍｎ：０．５０～２．００％、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１００％以下、Ａｌ：０．０１０～０．０３５％、Ｎ：０．００１０～０．００８０％、Ｎｂ：０．０１０～０．０８０％、Ｔｉ：０．００５～０．０３０％、Ｎｉ：０．０１～０．５０％、Ｍｏ：０．１０～０．２５％、Ｖ：０～０．０１％、Ｏ：０．００５０％以下、Ｃａ：０～０．００５０％、Ｃｒ：０～０．３０％、Ｃｕ：０～０．３０％、Ｍｇ：０～０．００５０％、ＲＥＭ：０．０１００％、及び残部：Ｆｅ及び不純物からなり、下記式（１）で定義されるＦ１が０．３０～０．４２であり、前記熱延鋼板の肉厚中央部の金属組織において、面積率で、フェライト分率が４０～８０％であり、残部がベイナイトであり、平均結晶粒径が５．０μｍ以下であり、前記熱延鋼板の表層部の金属組織において、平均結晶粒径が５．０μｍ以下であり、前記表層部と前記肉厚中央部の前記平均結晶粒径の差が２．０μｍ以下であるラインパイプ用熱延鋼板。
Ｆ１ ＝ Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／３
＋Ｎｂ／３ … 式（１）
〔式（１）において、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、及びＮｂは、それぞれ、各元素の含有量（質量％）を表す。〕

本発明によれば、厚肉で優れた低温靭性と十分な強度とを有するラインパイプ用電縫鋼管、及び該ラインパイプ用電縫鋼管を製造するのに用いるラインパイプ用熱延鋼板を得ることができる。

図１は、引張試験に用いた引張試験片の平面図である。 図２は、ＤＷＴＴ試験に用いたＤＷＴＴ試験片の採取位置を示す図である。 図３は、ＤＷＴＴ試験に用いたＤＷＴＴ試験片の正面図及び側面図である。

以下、本実施形態のラインパイプ用電縫鋼管及びラインパイプ用熱延鋼板（以下、両者をまとめて「ラインパイプ用鋼材」という）について詳述する。元素に関する「％」は、特に断りがない限り、質量％を意味する。

［化学組成］
本実施形態のラインパイプ用鋼材の化学組成は、次の元素を含有する。

Ｃ:０．００３０～０．１２０％
Ｃは、鋼の強度を高める元素である。この効果を得るために、Ｃ含有量は０．００３０％以上とする。Ｃ含有量が高すぎると、鋼の低温靭性及び延性が低下し、さらに、溶接性が低下することがある。したがって、Ｃ含有量は０．１２０％以下とする。Ｃ含有量の好ましい下限は０．０４０％であり、さらに好ましくは０．０５０％である。Ｃ含有量の好ましい上限は、０．１００％であり、さらに好ましくは０．０８０％である。

Ｓｉ:０．０５～０．３０％
Ｓｉは、鋼の脱酸剤として機能する元素である。さらに、電縫鋼管の母材及び溶接部に粗大な酸化物が生成されることを抑制し、母材及び溶接部の靭性を向上させる。これらの効果を得るために、Ｓｉの含有量は０．０５％以上とする。Ｓｉ含有量が高すぎると、鋼の低温靭性が低下する。したがって、Ｓｉ含有量は０．３０％以下とする。Ｓｉ含有量の好ましい下限は、０．０７％であり、さらに好ましくは０．１０％である。Ｓｉ含有量の好ましい上限は０．２０％であり、さらに好ましくは０．１９％である。

Ｍｎ：０．５０～２．００％
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める元素である。この効果を得るために、Ｍｎ含有量は０．５０％以上とする。Ｍｎ含有量が高すぎると、鋼の強度が高くなりすぎ、鋼の低温靭性が低下することがある。したがって、Ｍｎ含有量は２．００％以下とする。Ｍｎ含有量の好ましい下限は、０．７０％であり、さらに好ましくは１．００％である。Ｍｎ含有量の好ましい上限は１．８０％であり、さらに好ましくは１．５０％である。

Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは不純物である。Ｐは、鋼の低温靭性を低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下とする。Ｐ含有量の好ましい上限は０．０１５％であり、さらに好ましくは０．０１％である。Ｐ含有量はなるべく低い方が好ましく、０であってもよい。

Ｓ：０．０１００％以下
Ｓは不純物である。Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎ系硫化物を形成し、鋼の低温靭性及び耐ＳＳＣ性を低下させる。したがって、Ｓ含有量は０．０１００％以下とする。Ｓ含有量の好ましい上限は０．００１０％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。Ｓ含有量はなるべく低い方が好ましく、０であってもよい。

Ａｌ：０．０１０～０．０３５％
Ａｌは鋼の脱酸剤として機能する元素である。さらに、電縫鋼管の母材及び溶接部に粗大な酸化物が生成されることを抑制し、母材及び溶接部の靭性を向上させる。この効果を得るために、Ａｌ含有量は０．０１０％以上とする。Ａｌ含有量が高すぎると、Ａｌ窒化物が粗大化し、鋼の低温靭性が低下する。したがって、Ａｌ含有量は、０．０３５％以下とする。Ａｌ含有量の好ましい下限は０．０１２％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。Ａｌ含有量の好ましい上限は０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０１６％である。本明細書において、Ａｌ含有量は鋼中の全Ａｌ含有量を意味する。

Ｎ：０．００１０～０．００８０％
Ｎは、窒化物を形成して、加熱工程中のオーステナイト粒の粗大化を抑制する元素である。具体的には、圧延工程においてオーステナイト粒が微細化し、変態後の結晶粒が微細になる。その結果、鋼の低温靭性が高まる。Ｎはさらに、固溶強化により鋼の強度を高める。これらの効果を得るために、Ｎ含有量は０．００１０％以上とする。Ｎ含有量が高すぎると、炭窒化物を粗大化し、鋼の低温靭性が低下することがある。したがって、Ｎ含有量は０．００８０％以下とする。Ｎ含有量の好ましい下限は、０．００２０％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。Ｎ含有量の好ましい上限は０．００６０％であり、さらに好ましくは０．００５０％である。

Ｎｂ：０．０１０～０．０８０％
Ｎｂは、鋼中のＣやＮと結合して微細なＮｂ炭窒化物を形成する元素である。Ｎｂ炭窒化物が形成されることにより、結晶粒の粗大化が抑制され平均結晶粒径が小さくなる。そのため、鋼の低温靭性を高める。さらに、微細なＮｂ炭窒化物は、分散強化により鋼の強度を高める。これらの効果を得るために、Ｎｂ含有量は０．０１０％以上とする。Ｎｂ含有量が高すぎると、Ｎｂ炭窒化物が粗大化し、鋼の低温靭性が低下することがある。したがって、Ｎｂ含有量は０．０８０％以下とする。Ｎｂ含有量の好ましい下限は、０．０１２％であり、さらに好ましくは０．０２０％である。Ｎｂ含有量の好ましい上限は０．０７０％であり、さらに好ましくは０．０６０％である。

Ｔｉ：０．００５～０．０３０％
Ｔｉは、鋼中のＮと結合してＴｉＮを形成し、固溶したＮによる鋼の低温靭性の低下を抑制する元素である。さらに、微細なＴｉＮが分散析出することにより、結晶粒の粗大化が抑制され、これにより、鋼の低温靭性が高まる。これらの効果を得るために、Ｔｉ含有量は０．００５％以上とする。Ｔｉ含有量が高すぎると、ＴｉＮが粗大化したり、粗大なＴｉＣが生成し、鋼の低温靭性が低下することがある。したがって、Ｔｉ含有量は０．０３０％以下とする。Ｔｉ含有量の好ましい下限は、０．００８％であり、さらに好ましくは０．０１０％である。Ｔｉ含有量の好ましい上限は０．０２０％であり、さらに好ましくは０．０１５％である。

Ｎｉ：０．０１～０．５０％
Ｎｉは、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める元素である。この効果を得るために、Ｎｉ含有量は０．０１％以上とする。Ｎｉ含有量が高すぎると、この効果は飽和する。したがって、Ｎｉ含有量は０．５０％以下とする。Ｎi含有量の好ましい下限は、０．０５％であり、さらに好ましくは０．０８％である。Ｎi含有量の好ましい上限は０．２０％であり、さらに好ましくは０．１５％である。

Ｍｏ：０．１０～０．２５％
Ｍｏは、鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める元素である。Ｍｏはさらに、オーステナイト粒を微細化し、鋼の低温靭性を高める。これらの効果を得るために、Ｍｏ含有量は０．１０％以上とする。Ｍｏ含有量が高すぎると、鋼の現地溶接性が低下する。したがって、Ｍｏ含有量は０．２５％以下とする。Ｍｏ含有量の好ましい下限は、０．１２％であり、さらに好ましくは０．１５％である。Ｍｏ含有量の好ましい上限は０．２３％であり、さらに好ましくは０．２０％である。

Ｏ：０．００５０％以下
Ｏは不純物である。Ｏは酸化物を形成して、鋼の耐水素誘起割れ性を低下させる。Ｏはさらに、鋼の低温靭性を低下させる。したがって、Ｏ含有量は０．００５０％以下とする。Ｏ含有量の好ましい上限は０．００３０％であり、さらに好ましくは０．００２５％である。Ｏ含有量はなるべく低い方が好ましく、０であってもよい。

Ｖ：０～０．１０％
Ｖは、任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｖは巻取り工程において鋼中のＣやＮと結合して微細な炭窒化物を形成し、鋼の強度を高める。微細なＶ炭窒化物はさらに、結晶粒の粗大化を抑制して鋼の低温靭性を高める。これらの効果は微量の含有でも得られるが、効果を確実に得るためには、Ｖ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。Ｖ含有量が高すぎると、Ｖ炭窒化物が粗大化し、鋼の低温靭性が低下することがある。したがって、Ｖ含有量は、０．１０％以下とする。Ｖ含有量のより好ましい下限は、０．０２％であり、さらに好ましくは０．０５％である。Ｖ含有量の好ましい上限は０．０８％であり、さらに好ましくは０．０７％である。

Ｃａ：０～０．００３０％
Ｃａは、任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｃａは、ＭｎＳの形態を制御して球状化し、鋼の低温靭性が高められる。この効果は微量の含有でも得られるが、効果を確実に得るためには、Ｃａ含有量を０．０００１％以上とすることが好ましい。Ｃａ含有量が高すぎると、粗大な酸化物系介在物が形成される。その結果、酸化物が破壊の起点となり、鋼の低温靭性が低下する。したがって、Ｃａ含有量は０．００３０％以下である。Ｃａ含有量のより好ましい下限は、０．０００２％であり、さらに好ましくは０．０００５％である。Ｃａ含有量の好ましい上限は０．００２５％であり、さらに好ましくは０．００２０％である。

Ｃｒ：０～０．３０％
Ｃｒは、任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｃｒは鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。この効果は微量の含有でも得られるが、効果を確実に得るためには、Ｃｒ含有量を０．０１％以上とすることが好ましい。Ｃｒ含有量が高すぎると、焼入れ性が高くなりすぎて鋼の低温靭性が低下する。したがって、Ｃｒ含有量は０．３０％以下とする。Ｃｒ含有量の好ましい下限は、０．０５％であり、さらに好ましくは０．０６％である。Ｃｒ含有量の好ましい上限は０．２５％であり、さらに好ましくは０．２％である。

Ｃｕ：０～０．３０％
Ｃｕは任意元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｃｕは鋼の焼入れ性を高め、鋼の強度を高める。この効果は微量の含有でも得られるが、効果を確実に得るためには、Ｃｕ含有量を０．０２％以上とすることが好ましい。Ｃｕ含有量が高すぎると、焼入れ性が高くなりすぎて靭性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０．３０％以下とする。Ｃｕ含有量の好ましい下限は、０．０５％であり、さらに好ましくは０．０７％である。Ｃｕ含有量の好ましい上限は０．２５％であり、さらに好ましくは０．２０％である。

Ｍｇ：０～０．００５０％
Ｍｇは、任意の元素であり、含有されなくてもよい。含有される場合、Ｍｇは脱酸剤及び脱硫剤として機能する。また、微細な酸化物を生じて、ＨＡＺの靭性の向上にも寄与する。これらの効果は微量の含有でも得られるが、効果を確実に得るためには、Ｍｇ含有量を０．０００１％以上とするのが好ましい。Ｍｇ含有量が高すぎると、酸化物が凝集又は粗大化しやすくなり、その結果、耐ＨＩＣ性の低下、又は、母材部若しくはＨＡＺの靱性の低下がおこるおそれがある。したがって、Ｍｇ含有量は０．００５０％以下とする。Ｍｇ含有量の好ましい下限は、０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。Ｍｇ含有量の好ましい上限は０．０４０％であり、さらに好ましくは０．００３０％である。

ＲＥＭ：０～０．０１００％、
ＲＥＭは、任意の元素であり、含有されなくてもよい。ここで、「ＲＥＭ」は希土類元素、即ち、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕからなる群から選択される少なくとも１種の元素を指す。ＲＥＭが含有される場合は、ＲＥＭは、脱酸剤及び脱硫剤として機能する。この効果は微量の含有でも得られるが、効果を確実に得るためには、ＲＥＭ含有量を０．０００１％以上とするのが好ましい。ＲＥＭ含有量が高すぎると、粗大な酸化物を生じ、その結果、耐ＨＩＣ性の低下、又は、母材部若しくはＨＡＺの靱性の低下をもたらすおそれがある。したがって、ＲＥＭ含有量は０．０１００％以下とする。ＲＥＭ含有量の好ましい下限は、０．０００５％であり、さらに好ましくは０．００１０％である。ＲＥＭ含有量の好ましい上限は０．０７０％であり、さらに好ましくは０．００５０％である。

本実施の形態によるラインパイプ用鋼材の化学組成の残部は、Ｆｅ及び不純物からなる。ここで、不純物とは、ラインパイプ用鋼材を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、又は製造環境などから混入されるものであって、本実施形態のラインパイプ用鋼材に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

[式（１）について]
上記化学組成はさらに、式（１）を満たす。

Ｆ１ ＝ Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／３
＋Ｎｂ／３ … 式（１）

ここで、式（１）の各元素記号には、対応する元素の含有量（質量％）が代入される。また、式（１）中の元素記号に対応する元素が含有されていない場合、式（１）中の対応する元素記号には「０」が代入される。

上述のとおり、本実施の形態の化学組成において、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、及びＮｂ含有量は鋼の焼入れ性を高める。

Ｆ１が低すぎると、ＣＣＴ線図のＳ曲線（フェライト領域、パーライト領域、ベイナイト領域）が左側（短時間側）にシフトする。この場合、ＣＣＴ線図において、核生成サイトが十分に生成する前に、鋼材温度がフェライト領域に入る。その結果、フェライトの結晶粒が粗大化し、平均結晶粒径が大きくなる。さらに、混粒が発生しやすく、粗大結晶粒率が大きくなる。その結果、鋼の低温靭性が低下する。Ｆ１が低すぎると、さらに、焼入れ性が低下し、十分な強度が得られない。

Ｆ１が高すぎると、ＣＣＴ線図のＳ曲線が右側（長時間側）にシフトする。この場合、硬質組織が生成しやすくなり、組織中のフェライト分率が低下する。その結果、鋼の低温靭性が低下する。Ｆ１が高すぎると、さらに、焼入れ性が高くなり、鋼の強度が高くなりすぎる。

Ｆ１が０．３０～０．４２であれば、鋼の温度をフェライト領域に保持しやすく、鋼材の厚さ中央部のフェライト分率を８０％以上にすることができ、鋼の低温靭性を高めることができる。Ｆ１値の上限は０．４０が好ましく、さらに好ましくは０．３８である。

[フェライト分率について]
本実施形態によるラインパイプ用鋼材の肉厚中央部の組織は、フェライトを４０～８０％含有する。残部は、ベイナイトである。ベイナイトには粒内または粒界にセメンタイトを含まないベイニティックフェライトも含むものとする。ベイニティックフェライトの粒界にはＭＡ（Martensite-Austenite constituent）を含む場合がある。ここで、厚さ中央部とは、板厚又は肉厚をｔｍｍとした場合、板厚中央又は肉厚中央から、板厚方向又は肉厚方向に±１０％ｔの範囲（つまり、表面から板厚方向又は肉厚方向に４０～６０％ｔの範囲）を意味する。

上述のとおり、鋼の厚さ中央部の組織のフェライト分率が、面積率で４０～８０％であれば、結晶粒が微細化し、その結果、鋼の低温靭性が高まる。フェライト分率の好ましい下限は、４２％であり、さらに好ましくは４５％である。好ましい上限は、７８％であり、さらに好ましくは７５％である。

フェライト分率は次の方法で測定される。

ラインパイプ用鋼材の厚さ中央部から試料を採取する。採取された試料をコロイダルシリカ研磨剤で３０～６０分研磨する。研磨された試料をＥＢＳＰ－ＯＩＭ（商標）（Electron Back Scatter Diffraction Pattern-Orientation Image Microscopy）を用いて解析し、フェライト分率を求める。

具体的には、ＥＢＳＰ－ＯＩＭに装備されているＫＡＭ（Kernel Average Misorientation）法にてフェライト分率を求める。

ＫＡＭ法では、測定データのうちのある正六角形のピクセル（中心のピクセル）と、このピクセルに隣り合う６個のピクセルを用いた第１近似（全７ピクセル）、もしくはこれらの６個のピクセルのさらにその外側の１２個のピクセルも用いた第２近似（全１９ピクセル）、もしくはこれら１２個のピクセルのさらに外側の１８個のピクセルも用いた第三近似（全３７ピクセル）について、各ピクセル間の方位差を平均し、得られた平均値をその中心のピクセルの値とする。この操作をピクセル全体に対して行う。

粒界を越えないようにこの計算を実施して、粒内の方位変化を表現するマップを作成する。すなわち、このマップは粒内の局所的な方位変化に基づく歪みの分布を表している。本実施の形態では、第三近似により隣接するピクセル間の方位差５°以下となるものを表示させる。本実施の形態では、方位差第三近似１°以下と算出されたピクセルの面性分率をフェライト分率と定義する。方位差第三近似１°を超えるものは、ベイナイト（１）ベイニティックフェライトを含む）とする。

［平均結晶粒径について］
本実施形態のラインパイプ用鋼材ではさらに、ラインパイプ用鋼材の肉厚中央部での平均結晶粒径が５．０μｍ以下である。平均結晶粒径が大きすぎると、鋼の低温靭性が低下する。本実施形態では、上述の平均結晶粒径が５．０μｍ以下であるため、優れた低温靭性が得られる。平均結晶粒径の好ましい上限は、４．８μｍであり、さらに好ましくは４．５μｍである。

平均結晶粒径は、ＥＢＳＰ－ＯＩＭ法を用いて測定する。フェライト分率の測定と同様に試料を採取及び研磨する。研磨された試料をＥＢＳＰ－ＯＩＭを用いて解析する。具体的には、一定測定ステップごとの方位測定で、隣り合う測定点の方位差が、１５°を超えた位置を粒界とする。１５°は大傾角粒界の閾値であり、一般的に結晶粒界として認識されている。粒界に囲まれた領域を結晶粒として、その粒径及び結晶粒の表面積を求める。得られた粒径及び表面積からエリア平均粒径を求める。本実施形態においては、求めたエリア平均粒径を平均結晶粒径とする。

本実施形態のラインパイプ用鋼材ではさらに、ラインパイプ用鋼材の表層部での平均結晶粒径が５．０μｍ以下である。ここで、表層部とは、板厚又は肉厚をｔｍｍとした場合、表面から板厚方向又は肉厚方向に５～１０％ｔの範囲、及び９０～９５％ｔの範囲を意味する。平均結晶粒径が大きすぎると、鋼の低温靭性が低下する。本実施形態では、ラインパイプ用鋼材の表層部でも平均結晶粒径が５．０μｍ以下であるため、優れた低温靭性が得られる。平均結晶粒径の好ましい上限は、４．８μｍであり、さらに好ましくは４．５μｍである。

本実施形態のラインパイプ用鋼材ではさらに、表層部と肉厚中央部の平均結晶粒径の差が２．０μｍ以下である。これにより、表層部、肉厚中央部で均一な低温靭性を得ることができる。

後述の製造工程を実施することにより、鋼材の肉厚中央部の金属組織において、面積率で、フェライトを４０～８０％、残部がベイナイトとし、平均結晶粒径を５．０μｍ以下とし、鋼材の表層部の金属組織において、平均結晶粒径を５．０μｍ以下とし、表層部と肉厚中央部の平均結晶粒径の差を２．０μｍ以下とすることができる。

その結果、ＤＷＴＴ保証温度を－４０℃以下として低温靭性を高めることができる。さらに、電縫鋼管において、５５０～７０５ＭＰａの管軸方向の降伏強度、及び６２５～８２５ＭＰａの管軸方向の引張強度を得ることができる。

［製造方法］
上述のラインパイプ用鋼材の製造方法の一例を説明する。

[素材準備工程]
はじめに、上述の化学組成を有する溶鋼を製造し、溶鋼を用いて、スラブを製造する。たとえば、連続鋳造法によりスラブを製造することができる。

［加熱工程］
加熱工程では、製造されたスラブを加熱炉で加熱する。加熱炉でのスラブの加熱温度は１０６０～１２００℃とするのが好ましい。加熱温度が高すぎると、結晶粒（オーステナイト粒）が粗大化し、低温靭性が低下する。加熱温度が低すぎると、圧延中の結晶粒の微細化及び圧延後の析出強化が得られず、強度が低下する。

［熱間圧延工程］
熱間圧延工程は粗圧延工程、仕上げ圧延工程に分けられる。加熱工程で加熱されたスラブを、粗圧延機、及び仕上げ圧延機を用いて熱間圧延を施し、熱延鋼板とする。粗圧延機及び仕上げ圧延機ともに、一列に並んだ複数の圧延スタンドを備え、各圧延スタンドはロール対を備える。

粗圧延工程では、最終圧延温度を９００～１０００℃、圧下率を６０％以上としてスラブに粗圧延を施す。粗圧延の圧下率は、（スラブ厚さ－仕上げ圧延前厚さ）／スラブ厚さ×１００（％）で求められる。

本実施形態では、仕上げ圧延機入側における板厚中心温度を７７０～８５０℃として、仕上げ圧延機入側で鋼板の表層を冷却することにより、板厚中心と表層下２ｍｍの温度差を８０℃以上とする。鋼板の温度は、たとえば、鋼板の厚さ及び長さ、比熱などの物性値、冷却水量、搬送速度から、熱伝導解析を行って求めることができる。表層の冷却は、たとえば、冷却水を鋼板に噴射することで行うことができる。これにより、板厚中心に歪みが集中するため、結晶粒が微細とすることができる。

仕上げ圧延機出側では、鋼板の表層温度は復熱により上昇する。仕上げ圧延機出側の表層温度は、鋼板の圧延抵抗が増加して生産性が低下しないように、７２０～７６０℃とするのが好ましい。

［ＲＯＴ冷却工程］
ＲＯＴ（ランアウトテーブル）冷却工程では、熱間圧延工程で製造された鋼板を冷却する。具体的には、仕上げ圧延終了後の鋼板を、たとえば、水冷装置による水冷により強冷却する。水冷直前の鋼板の表面温度は特に限定しないが、Ａｒ₃変態点以上であるのが好ましい。水冷直前の鋼板の表面温度がＡｒ₃変態点以上であれば、粒成長して結晶粒が粗大化することによる強度の低下を防止できる。

冷却工程では、冷却速度を板厚中央部で３０～１００℃／ｓとし、室温～４５０℃まで強冷するのが好ましい。冷却速度が小さいと、板厚中心部でのフェライト分率が高くなり、所望の強度が得られなくなり、さらに冷却による歪みの導入が不足するため、平均結晶粒径が大きくなり、鋼の低温靭性が低下することがある。冷却速度が大きいと、フェライト分率が低下し、ベイナイトだけでなく、マルテンサイトも多量に生成し、鋼の低温靭性が低下することがある。

強冷却の停止温度が４５０℃を超える場合には、フェライトおよびベイナイトが粗大化し、鋼の低温靭性が低下する場合がある。高強度化と低温靭性を両立するための好ましい停止温度は３５０℃以下であり、さらに好ましくは、２００℃以下である。

［巻取り工程］
巻取り工程では、ＲＯＴ冷却工程で冷却された鋼板を巻取り、コイル状のラインパイプ用熱延鋼板にする。

コイル状のラインパイプ用熱延鋼板巻取り時の鋼板の表面温度（以下「巻取り温度」という）は、室温～４５０℃とするのが好ましい。巻取り温度が高すぎると、結晶粒が粗大化して、鋼の低温靭性が低下することがある。また好ましい巻取り温度は３５０℃以下であり、さらに好ましくは、２００℃以下である。

以上の製造工程により、本実施形態のラインパイプ用熱延鋼板が製造される。

本実施形態のラインパイプ用電縫鋼管は、上述のラインパイプ用熱延鋼板を用いて、次の製管工程で製造される。

［製管工程］
コイル状のラインパイプ用熱延鋼板を巻き戻しながら、周知の方法により、ラインパイプ用電縫鋼管を製造する。具体的には、ラインパイプ用熱延鋼板を連続した成形ロールによる曲げ加工により筒状（オープンパイプ）にする。続いて、オープンパイプの継ぎ目部、つまりラインパイプ用熱延鋼板の長手方向の両端面を電縫溶接法により溶接する。以上の工程により、ラインパイプ用電縫鋼管を製造する。

以上の製造工程により製造されたラインパイプ用鋼材（熱延鋼板及び電縫鋼管）では、肉厚中央部の金属組織において、面積率で、フェライトが４０～８０％、残部がベイナイトとなり、平均結晶粒径が５．０μｍ以下となる。また、母材部の表層部の金属組織において、平均結晶粒径が５．０μｍ以下となり、表層部と肉厚中央部の平均結晶粒径の差が２．０μｍ以下となる。その結果、ＤＷＴＴ保証温度を－４０℃以下とし、低温靭性を高めることができる。さらに、５５０～７０５ＭＰａの降伏応力、及び６２５～８２５ＭＰaの引張強度を得ることができる。

本実施形態のラインパイプ用電縫鋼管の肉厚や外径は特に限定されるものではない。一例として、肉厚が１２～２５ｍｍ、外径が３０４．８～６６０．４ｍｍ（１２～２６インチ）の厚肉ラインパイプ用の電縫鋼管として好適である。

表１に示す鋼Ａ～鋼Ｊの溶鋼を連続鋳造してスラブを製造した。

鋼Ａ～Ｏの複数のスラブを用いて、肉厚が１２～２５ｍｍ、外径が３０４．８～６６０．４ｍｍ（１２～２６インチ）の範囲にて、表２に示す試験番号１～２３のラインパイプ用電縫鋼管を製造した。

具体的には、各試験番号のスラブを、加熱炉で加熱した。加熱温度（℃）は表２に示すとおりとした。加熱後のスラブを粗圧延機を用いて圧延して、その後、仕上げ圧延機で仕上げ圧延を実施した。その際、仕上げ圧延機の入側で鋼板表面を冷却し、板厚中心と表層に温度差をつけた。

仕上げ圧延後の鋼板に対して、ＲＯＴ冷却を実施した。ＲＯＴ冷却では、表２に示す冷却停止温度まで、表２に示す冷却速度で冷却した。

以上の製造工程により鋼板を製造後、表２に示す巻取り温度で巻取りを実施してラインパイプ用熱延鋼板を製造した。さらに、ラインパイプ用熱延鋼板を用いて上述の方法で製管し、ラインパイプ用電縫鋼管を製造した。

得られたラインパイプ用熱延鋼板、ラインパイプ用電縫鋼管について、以下の試験を行った。

[ミクロ組織]
前述の方法に基づいて、ＥＢＳＰ－ＯＩＭを用いて、肉厚中央部及び表層部の平均結晶粒径、肉厚中央部のフェライト分率を測定した。平均結晶粒径測定でのＥＢＳＰ－ＯＩＭの測定条件は倍率：４００倍、視野面積：２００μｍ×５００μｍ、測定ステップ：０．３μｍとした。

［歪み］
板厚中心の歪みはＦＥＭ解析により算出した。解析ソフトにはＭＳＣ社のＭａｒｋを用い、分割数（要素）は１２、メッシュサイズは２．５ｍｍ×２．５ｍｍとした。また、変形抵抗は下記式（ａ）から求めた。

σ＝６３１０．６ε^0.407×ε´^0.115×ｅｘｐ（－２．６２×１０^-3Ｔ
－０．６６９ε） ・・・（ａ）

ここで、σは応力、εは歪み、ε´は歪み速度である。また、εとε´は、ｔを圧延後の板厚、ｔ０を圧延前の板厚としたとき、下記式（ｂ），（ｃ）で求められる値ある。

ε＝１．１５ｌｎ（ｔ／ｔ０） ・・・（ｂ）
ε´＝５０ｓ^-1 ・・・（ｃ）

なお、板厚中心の歪みは、結晶粒を微細化し、低温靭性を向上するために蓄積させるものであって、歪みの値自体は特に限定されるものではない。本実施例からは、板厚中心に２．８以上の歪みが蓄積された場合に結晶粒を微細化できることが確認できた。

［強度試験］
各試験番号のラインパイプ用熱延鋼板、ラインパイプ用電縫鋼管から引張試験片を採取した。ラインパイプ用熱延鋼板は、試験片の中心が板厚方向１／２になるように、試験片の軸が圧延方向に対して垂直になるように採取した。ラインパイプ用電縫鋼管の引張試験片は、ラインパイプ用電縫鋼管を軸方向に見てラインパイプ用電縫鋼管の溶接部から９０°の位置から全厚の引張試験片を採取した。引張試験片の横断面は弧状とし、引張試験片の長手方向は、鋼管の長手方向と平行とした。引張試験片のサイズは図１に示すとおりであり、平行部の長さは５０．８ｍｍ、平行部の幅は３８．１ｍｍとした。図１中の数値は、試験片の対応する部位の寸法（単位はｍｍ）を示す。引張試験片を用いて、ＡＰＩ規格の５ＣＴの規定に準拠して、常温にて引張試験を実施した。試験結果に基づいて、ラインパイプ用電縫鋼管の降伏強度ＹＳ（ＭＰａ）及び引張強度ＴＳ（ＭＰａ）を求めた。

［低温靭性試験］
各試験番号のラインパイプ用電縫鋼管からＤＷＴＴ試験片を採取した。採取位置は引張り試験片と同様に溶接部から９０°位置とし、９０°位置にノッチを加工した（図２）。ＤＷＴＴ試験片のサイズは図３に示すとおりであった。図３中の数値は、試験片の対応する部位の寸法（単位はｍｍ）を示す。tは肉厚（単位はｍｍ）を示す。ＤＷＴＴ試験片の長手方向は、ラインパイプ用電縫鋼管の円周方向に相当した。ＤＷＴＴ試験片をＡＳＴＭ Ｅ ４３６の規定に準拠して、各温度で３本試験を行い、３本の延性破面率の平均値が８５％以上になる最低温度をＤＷＴＴ保証温度と定義した。

［試験結果］
表３に試験結果を示す。

表１～３を参照して、試験番号１～１３の鋼の化学組成は適切であり、式（１）を満たした。さらに、いずれの試験番号の製造条件も適切であった。そのため、試験番号１～１３では、母材部の肉厚中央部の金属組織において、４０～８０％のフェライトとベイナイトからなる組織であり、平均結晶粒径が５μｍ以下であり、母材部と表層部の金属組織において平均結晶粒径が５μｍ以下であり、表層部と肉厚中央部の平均結晶粒径の差が２μｍ以下となった。その結果、優れた低温靭性を示した。さらに、ラインパイプ用電縫鋼管の管軸方向の降伏強度ＹＳはいずれも５５０～７０５ＭＰaであり、引張強度ＴＳはいずれも６２５～８２５ＭＰaであった。

一方、試験番号１４、１５では、製造条件は適切であったものの、Ｆ１が式（１）下限未満であった。そのため、結晶粒が粗大化した。

試験番号１６、１７では、製造条件は適切であったものの、Ｆ１が式（１）の上限を超えた。そのため、フェライト分率が４０％未満となり、ラインパイプ用電縫鋼管の降伏強度ＹＳが７０５ＭＰａを超え、引張強度ＴＳが８２５ＭＰａを超え、高すぎた。

試験番号１８では、加熱温度が１２００℃を超えた。そのため、γ粒径が粗大化し、最終組織の結晶粒径が粗大化した。

試験番号１９では、加熱温度が１０６０℃未満であった。そのため、加熱工程において、Ｎｂが未固溶になり、強度に寄与する巻取り中の微細なＮｂ析出物の量が少なくなったため、強度が低くなった。

試験番号２０では、粗圧延最終温度が１０００℃より高くなった。そのため、仕上げ圧延前のγ粒径が粗大化し、最終組織の結晶粒径が粗大化した。

試験番号２１では、粗圧延圧下率が６０％未満であった。そのため、仕上げ圧延前のγ粒径が粗大化し、最終組織の結晶粒径が粗大化した。

試験番号２２では、仕上げ圧延入側の板厚中心の温度が８５０℃を超えた。そのため、仕上げ圧延での蓄積される板厚中心の歪みが２．８より小さくなり、結晶粒が粗大化した。

試験番号２３では、仕上げ圧延入側の板厚中心の温度が７７０℃未満であった。そのため、仕上げ圧延が二相域（γ＋α）が実施されたため、加工フェライトが生成し、ラインパイプ用電縫鋼管の降伏強度ＹＳが７０５ＭＰａを超え、引張強度ＴＳが８２５ＭＰａを超え、高すぎた。

試験番号２４では、仕上げ圧延における板厚中心と表層の温度差が８０℃未満であった。そのため、仕上げ圧延において、板厚中心に蓄積される歪みが２．８より小さくなり、結晶粒が粗大化した。

試験番号２５では、仕上げ圧延後のＲＯＴ冷却と巻き取り工程において、冷却停止温度は４５０℃よりも高くなり、冷却速度は３０℃／ｓ未満であり、巻き取り温度は４５０℃よりも高かった。そのため、フェライト分率が８０％を超え、フェライト主体組織になり、強度が低くなった。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、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。したがって、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更して実施することができる。

１ 電縫溶接部
２ ＤＷＴＴ試験片
３ ノッチ

Claims (9)

1. 母材部、及び電縫溶接部を含むラインパイプ用電縫鋼管であって、
   前記母材部の化学組成が、質量％で、
   Ｃ ：０．００３０～０．１２０％、
   Ｓｉ：０．０５～０．３０％、
   Ｍｎ：０．５０～２．００％、
   Ｐ ：０．０３０％以下、
   Ｓ ：０．０１００％以下、
   Ａｌ：０．０１０～０．０３５％、
   Ｎ ：０．００１０～０．００８０％、
   Ｎｂ：０．０１０～０．０８０％、
   Ｔｉ：０．００５～０．０３０％、
   Ｎｉ：０．０１～０．５０％、
   Ｍｏ：０．１０～０．２５％、
   Ｏ ：０．００５０％以下、
   Ｖ ：０～０．１０％、
   Ｃａ：０～０．００５０％、
   Ｃｒ：０～０．３０％、
   Ｃｕ：０～０．３０％、
   Ｍｇ：０～０．００５０％、
   ＲＥＭ：０～０．０１００％、及び
   残部：Ｆｅ及び不純物
   からなり、
   下記式（１）で定義されるＦ１が０．３０～０．４２であり、
   前記母材部の肉厚中央部の金属組織において、面積率でフェライト分率が４０～８０％であり、残部がベイナイトであり、平均結晶粒径が５．０μｍ以下であり、
   前記母材部の表層部の金属組織において、平均結晶粒径が５．０μｍ以下であり、
   前記表層部と前記肉厚中央部の前記平均結晶粒径の差が２．０μｍ以下
   であるラインパイプ用電縫鋼管。
   Ｆ１ ＝ Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／３
   ＋Ｎｂ／３ … 式（１）
   〔式（１）において、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、及びＮｂは、それぞれ、各元素の含有量（質量％）を表す。〕
2. 前記Ｆ１が０．３０～０．４０である請求項１に記載のラインパイプ用電縫鋼管。
3. 前記Ｆ１が０．３０～０．３８である請求項１又は２に記載のラインパイプ用電縫鋼管。
4. 前記母材部の化学組成が、質量％で、
   Ｖ：０％超０．１０％以下、
   Ｃａ：０％超０．００５０％以下、
   Ｃｒ：０％超０．３０％以下、
   Ｃｕ：０％超０．３０％以下、
   Ｍｇ：０％超０．００５０％以下、及び
   ＲＥＭ：０％超０．０１００％以下
   からなる群から選択される１種以上を含有する請求項１～３のいずれか１項に記載のラインパイプ用電縫鋼管。
5. 管軸方向の降伏強度が５５０～７０５ＭＰａであり、管軸方向の引張強度が６２５～８２５ＭＰａである請求項１～４のいずれか１項に記載のラインパイプ用電縫鋼管。
6. 肉厚が１２～２５ｍｍであり、外径が３０４．８～６６０．４ｍｍである請求項１～５のいずれか１項に記載のラインパイプ用電縫鋼管。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載のラインパイプ用電縫鋼管の製造に用いられる熱延鋼板であって、
   化学組成が、質量％で、
   Ｃ ：０．００３０～０．１２０％、
   Ｓｉ：０．０５～０．３０％、
   Ｍｎ：０．５０～２．００％、
   Ｐ ：０．０３０％以下、
   Ｓ ：０．０１００％以下、
   Ａｌ：０．０１０～０．０３５％、
   Ｎ ：０．００１０～０．００８０％、
   Ｎｂ：０．０１０～０．０８０％、
   Ｔｉ：０．００５～０．０３０％、
   Ｎｉ：０．０１～０．５０％、
   Ｍｏ：０．１０～０．２５％、
   Ｖ ：０～０．１０％、
   Ｏ ：０．００５０％以下、
   Ｃａ：０～０．００５０％、
   Ｃｒ：０～０．３０％、
   Ｃｕ：０～０．３０％、
   Ｍｇ：０～０．００５０％、
   ＲＥＭ：０．０１００％、及び
   残部：Ｆｅ及び不純物
   からなり、
   下記式（１）で定義されるＦ１が０．３０～０．４２であり、
   前記熱延鋼板の肉厚中央部の金属組織において面積率で、フェライト分率が４０～８０％であり、残部がベイナイトであり、平均結晶粒径が５．０μｍ以下であり、
   前記熱延鋼板の表層部の金属組織において、平均結晶粒径が５．０μｍ以下であり、
   前記表層部と前記肉厚中央部の前記平均結晶粒径の差が２．０μｍ以下
   であるラインパイプ用熱延鋼板。
   Ｆ１ ＝ Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｎｉ／４０＋Ｃｒ／５＋Ｍｏ／４＋Ｖ／３
   ＋Ｎｂ／３ … 式（１）
   〔式（１）において、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、及びＮｂは、それぞれ、各元素の含有量（質量％）を表す。〕
8. 前記Ｆ１が０．３０～０．４０である請求項７に記載のラインパイプ用熱延鋼板。
9. 前記Ｆ１が０．３０～０．３８である請求項７又は８に記載のラインパイプ用熱延鋼板。

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