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KR20160129875A - 내변형 시효 특성 및 내hic 특성이 우수한 고변형능 라인 파이프용 강재 및 그 제조 방법 그리고 용접 강관 - Google Patents

내변형 시효 특성 및 내hic 특성이 우수한 고변형능 라인 파이프용 강재 및 그 제조 방법 그리고 용접 강관 Download PDF

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KR20160129875A
KR20160129875A KR1020167027218A KR20167027218A KR20160129875A KR 20160129875 A KR20160129875 A KR 20160129875A KR 1020167027218 A KR1020167027218 A KR 1020167027218A KR 20167027218 A KR20167027218 A KR 20167027218A KR 20160129875 A KR20160129875 A KR 20160129875A
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쿄노 야스다
다이스케 미즈노
하루오 나카미치
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

pH5 이상의 습윤 황화수소 환경에 있어서 우수한 내HIC 특성을 나타내고, 300℃ 이하의 코팅 처리 후라도 항복비가 낮은 API 5L X60∼X70 그레이드의 고변형능 라인 파이프용 강재 및 그 제조 방법 그리고 용접 강관을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특정의 성분 조성을 갖고, 금속 조직은 페라이트 및 베이나이트를 주체로 하고, 상기 페라이트 및 베이나이트의 면적 분율은 합계로 90％ 이상이고, 상기 페라이트와 상기 베이나이트의 경도차가 비커스 경도로 70 이상이고, 300℃ 이하의 온도의 변형 시효 처리 전 및 변형 시효 처리 후에 있어서의 균일 연신이 9％ 이상 및 항복비가 90％ 이하인 내변형 시효 특성 및 내HIC 특성이 우수한 고변형능 라인 파이프용 강재.

Description

내변형 시효 특성 및 내HIC 특성이 우수한 고변형능 라인 파이프용 강재 및 그 제조 방법 그리고 용접 강관{STEEL MATERIAL FOR HIGHLY-DEFORMABLE LINE PIPES HAVING SUPERIOR STRAIN AGING CHARACTERISTICS AND ANTI-HIC CHARACTERISTICS, METHOD FOR MANUFACTURING SAME, AND WELDED STEEL PIPE}
본 발명은, 300℃ 이하의 코팅 처리 후의 재질 열화가 작은 라인 파이프용 강재 및 그 제조 방법 그리고 용접 강관에 관한 것으로, pH5 이상의 습윤 황화수소 환경에 있어서 우수한 내HIC 특성을 갖고, API 5L X60∼X70 그레이드(grade)의 라인 파이프용 강재에 관한 것이다.
최근, 천연가스나 원유의 수송용으로서 사용되는 라인 파이프는, 고압 조업에 의한 수송 효율의 향상을 위해, 고강도화가 요구된다. 아이스 가우징(Ice Gouging)이나 지반 변동에 의해 대변형이 발생해도, 균열의 발생 방지가 가능한 고변형능이 요구된다. 예를 들면, 아이스 가우징이 발생하는 한랭의 해저나 지진 지대에 부설되는 파이프라인에서는, 고균일 연신(high uniform elongation)에 더하여, 90％ 이하의 저항복비를 갖는 라인 파이프가 요구된다.
라인 파이프에 이용되는 UOE 강관이나 ERW 강관과 같은 용접 강관은, 강판을 냉간에서 관 형상으로 성형하고, 맞댐부를 용접 후, 통상 방식(corrosion)의 관점에서 강관 외면에 코팅 처리가 실시된다. 그러나, 제관시의 가공 변형과 코팅 처리시의 가열에 의해 변형 시효 경화 현상이 발생하고, 항복 응력이 상승하여, 강관에 있어서의 항복비는 강판에 있어서의 항복비보다 커져 버리는 문제가 있다.
또한, 황화수소를 포함하는 천연가스나 원유의 수송에 이용되는 라인 파이프는, 강(steel)과 황화수소의 반응에 의해 발생한 수소가 강 중에 침입하여, 균열이 발생하는 경우가 있다. 이 때문에, 강도, 고균일 연신화, 저항복비화, 내변형 시효 특성 외에, 내수소 유기 균열성(내HIC성)이 요구된다.
저항복비화, 고균일 연신화의 방법으로서, 강재의 금속 조직을, 페라이트와 같은 연질상 중에 베이나이트나 마르텐사이트 등의 경질상이 적절히 분산한 조직으로 하는 것이 유효한 것이 알려져 있다. 또한, 수소 유기 균열을 방지하는 방법으로서, 편석 경향이 높은 P 등을 저감하는 것이 유효한 것이 알려져 있다. 한편으로, 가스전 개발의 확대에 수반하여, 사우어(sour) 환경(pH, 황화수소 분압)도 확대하고 있고, 마일드 사우어(mildly sour) 환경(습윤 황화수소 환경)이 착안되고 있다. pH5 이상의 비교적 산성도가 낮은 환경, 소위 마일드 사우어 환경하에서는, 강 중에 Cu를 첨가하고, 강재에 보호 피막을 형성함으로써, 강 중으로의 수소의 침입을 억제하는 것이 유효한 것이 알려져 있다.
연질상 중에 경질상이 적절히 분산된 조직을 얻는 제조 방법으로서, 특허문헌 1에는, ??칭과 템퍼링의 중간에, 페라이트와 오스테나이트의 2상(two-phase)역으로부터의 ??칭을 행하는 열처리 방법이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 1에 개시되는 복잡한 열처리를 행하지 않고 저항복비화를 달성하는 기술로서, 특허문헌 2에는, Ar3점 이상에서 강재의 압연을 종료하고, 그 후의 가속 냉각 속도와 냉각 정지 온도를 제어함으로써, 침 형상 페라이트(acicular ferrite)와 마르텐사이트의 2상 조직으로 하고, 저항복비화를 달성하는 방법이 개시되어 있다.
내변형 시효 특성에 대해서는, 예를 들면, 특허문헌 3 및 4에는, Ti와 Mo를 함유하는 복합 탄화물의 미세 석출물, 혹은, Ti, Nb, V 중 어느 2 종류 이상을 함유하는 복합 탄화물의 미세 석출물을 활용한, 내변형 시효 특성이 우수한 저항복비 고강도 고인성 강관 및 그 제조 방법이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 5에는, 강재의 합금 원소의 첨가량을 크게 증가시키는 일 없이, API 5L X70 이하의 내변형 시효 특성이 우수한 저항복비 고강도 고균일 연신을 달성하는 방법으로서, 가속 냉각 후, 즉시 재가열을 행함으로써, 베이나이트와 폴리고널 페라이트(polygonal ferrite)와 섬 형상 마르텐사이트(MA)의 3상(tree-phase) 조직으로 하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 6에는, API 5L X65 이상의 페라이트와 베이나이트의 2상 조직으로 이루어지는 강재의 내HIC 특성을 얻는 방법으로서, 페라이트와 베이나이트의 경도차를 작게 하는 방법이 개시되어 있다.
일본공개특허공보 소55-97425호 일본공개특허공보 평1-176027호 일본공개특허공보 2005-60839호 일본공개특허공보 2005-60840호 일본공개특허공보 2011-74443호 일본공개특허공보 2003-301236호
특허문헌 1에 기재된 열처리 방법에서는, 2상역 ??칭 온도를 적당하게 선택함으로써, 저항복비화가 달성 가능하다. 그러나, 열처리 공정 수가 증가하기 때문에, 생산성의 저하나 제조 비용의 증가를 초래한다는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 그 실시예가 나타내는 바와 같이, 인장 강도로 490N/㎟(50㎏/㎟) 이상의 강재로 하기 위해, 강재의 탄소 함유량을 높이거나, 혹은 그 외의 합금 원소의 첨가량을 늘린 성분 조성으로 할 필요가 있다. 이 때문에, 소재 비용의 상승을 초래할 뿐만 아니라, 용접 열 영향부 인성의 열화가 문제가 된다. 또한, UOE 강관이나 ERW 강관과 같은 용접 강관은, 전술한 바와 같이, 강판을 냉간으로 관 형상으로 성형하고, 맞댐부를 용접 후, 통상 방식(corrosion) 등의 관점에서 강관 외면에 코팅이 행해지기 때문에, 제관시의 가공 변형과 코팅 처리시의 가열에 의해 변형 시효 경화가 발생하여 항복 응력이 상승한다. 그 때문에, 특허문헌 2의 기술에서는, 소재의 강판의 저항복비화를 달성해도, 코팅 처리 후에 있어서의 저항복비화를 달성하는 것은 곤란하다.
특허문헌 3 또는 4에 기재된 기술에서는, 내변형 시효 특성은 개선되기는 했지만, 그 실시예가 나타내는 바와 같이, 판두께 26㎜ 이상의 후육에서의 강도의 확보에 대해서는, 검토되어 있지 않다. 판두께 26㎜ 이상의 후육에서는, 후육에 수반하는 냉각 속도 저하에 의해 고강도화가 곤란하고, API 5L X65∼X70, 후육, 고변형능, 내변형 시효 특성, 내마일드 사우어 성능을 겸비하는 복합 사양재는 미개발이다.
또한, 특허문헌 5에 기재된 기술에서는, 그 실시예가 나타내는 바와 같이, 변형 시효 처리 후에 85％ 이하의 저항복비화를 달성하고 있기는 하지만, 습윤 황화수소 환경에 있어서의 수소 유기 균열이 우려된다.
특허문헌 6에 기재된 기술에서는, pH3.3 이상의 습윤 황화수소 환경에 있어서 우수한 내HIC를 갖고 있다. 그러나, 페라이트와 베이나이트와의 경도차를 낮게 할 필요가 있기 때문에, 저항복비화의 미달성이 우려된다. 또한, 마일드 사우어 환경하에서 사용되는 용접 강관에 대해서는, 엄한 사우어 환경하에 적응되는 강 성분의 청정화 등의 재료 설계는 과잉이고, 제조 비용의 상승이 문제이다.
그래서, 본 발명은, pH5 이상의 습윤 황화수소 환경에 있어서 우수한 내HIC 특성을 나타내고, 300℃ 이하의 코팅 처리 후라도 항복비가 낮은 API 5L X60∼X70 그레이드의 고변형능 라인 파이프용 강재 및 그 제조 방법 그리고 용접 강관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해, 적정한 성분 조성과 강재의 제조 방법, 특히 제어 압연 및 제어 압연 후의 가속 냉각이라는 제조 프로세스에 대해서 예의 검토한 결과, 이하의 인식을 얻었다.
(a) Cu를 적량 첨가하고, Mo를 함유하지 않는, 혹은, 함유해도 0.01％ 이하로 함으로써, 내HIC 특성을 향상시키는 것이 가능하다.
(b) 가속 냉각 개시 온도와 가속 냉각 정지 온도를 적정한 온도로 함으로써, 강판의 금속 조직이, 페라이트 및 베이나이트의 2상 조직 또는 이들을 주체로 한 조직이 되고, 페라이트와 베이나이트의 경도차가 비커스 경도(Vickers hardness)로 70 이상이 되기 때문에, 변형 시효 처리 전 및 변형 시효 처리 후(이하, 「변형 시효 처리 전후」라 칭하는 경우도 있음)의 저항복비화가 가능하다.
(c) 가속 냉각에 있어서의 냉각 개시 온도와 냉각 정지 온도를 적정한 온도로 함으로써, 고용 C를 저감할 수 있기 때문에, 변형 시효 처리 후의 항복비의 상승을 억제할 수 있다.
본 발명은 상기의 인식에 추가로 검토를 더하여 이루어진 것이고, 이하와 같다.
[1] 성분 조성으로서, 질량％로, C: 0.030∼0.100％, Si: 0.01∼0.50％, Mn: 0.5∼2.5％, P: 0.015％ 이하, S: 0.002％ 이하, Cu: 0.20∼1.00％, Mo: 0.01％ 이하, Nb: 0.005∼0.05％, Ti: 0.005∼0.040％, Al: 0.10％ 이하, N: 0.007％ 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 금속 조직은 페라이트 및 베이나이트를 주체로 하고, 상기 페라이트 및 베이나이트의 면적 분율은 합계로 90％ 이상이고, 상기 페라이트와 상기 베이나이트의 경도차가 비커스 경도로 70 이상이고, 300℃ 이하의 온도의 변형 시효 처리 전 및 변형 시효 처리 후에 있어서의 균일 연신이 9％ 이상 및 항복비가 90％ 이하인 내변형 시효 특성 및 내HIC 특성이 우수한 고변형능 라인 파이프용 강재.
[2] 상기 성분 조성에, 추가로, 질량％로, Ni: 0.02∼0.50％, Cr: 1.00％ 이하, V: 0.10％ 이하, Ca: 0.0050％ 이하, B: 0.0050％ 이하 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 [1]에 기재된 내변형 시효 특성 및 내HIC 특성이 우수한 고변형능 라인 파이프용 강재.
[3] [1] 또는 [2]에 기재된 성분 조성을 갖는 강을, 1000∼1300℃의 온도로 가열하고, Ar3점 이상의 압연 종료 온도에서 열간 압연한 후, (Ar3-50)∼(Ar3＋30)℃로부터 5℃/s 이상의 냉각 속도로 500∼650℃의 냉각 정지 온도까지 가속 냉각을 행하는, 금속 조직이 페라이트 및 베이나이트 주체이고, 상기 페라이트 및 베이나이트의 면적 분율은 합계로 90％ 이상이고, 상기 페라이트와 상기 베이나이트의 경도차가 비커스 경도로 70 이상이고, 300℃ 이하의 온도의 변형 시효 처리 전 및 변형 시효 처리 후에 있어서의, 균일 연신이 9％ 이상, 항복비가 90％ 이하인 내변형 시효 특성 및 내HIC 특성이 우수한 고변형능 라인 파이프용 강재의 제조 방법.
[4] [1] 또는 [2]에 기재된 내변형 시효 특성 및 내HIC 특성이 우수한 고변형능 라인 파이프용 강재를 소재로 하는 용접 강관.
본 발명에 의하면, pH5 이상의 습윤 황화수소 환경에 있어서 우수한 내HIC 특성을 나타내고, 300℃ 이하의 코팅 처리 후라도 항복비가 낮은 API 5L X60∼X70 그레이드의 고변형능 라인 파이프용 강재를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서의 내변형 시효 특성이란, 300℃ 이하의 온도의 열처리를 행하여도 항복비의 과도한 상승을 억제할 수 있는 특성을 말한다. 또한, 본 발명에 있어서의 내HIC 특성이란, pH5 이상의 습윤 황화수소 환경에 있어서 수소 유기 균열이 발생하지 않는 특성을 말한다. 또한, 고변형능이란, 균일 연신이 9％ 이상 및 항복비가 90％ 이하를 충족하는 특성을 말한다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명에 대해서 구체적으로 설명한다.
1. 성분 조성
이하에, 본 발명에 따른 강재의 성분 조성의 한정 이유를 설명한다. 또한, 성분 조성을 나타내는 단위의 ％는, 모두 질량％를 의미한다.
C: 0.030∼0.100％
C는, 탄화물로서 석출 강화에 기여하는 원소이다. C가 0.030％ 미만에서는, 충분한 강도가 확보할 수 없다. C가 0.100％를 초과하면, 인성이나 용접성의 열화, 변형 시효에 의한 항복비의 상승을 초래한다. 이 때문에, C 함유량을 0.030∼0.100％로 규정한다. 바람직하게는, C 함유량은 0.05％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, C 함유량은 0.09％ 이하이다.
Si: 0.01∼0.50％
Si는 탈산을 위해 첨가한다. Si가 0.01％ 미만에서는 탈산 효과가 충분하지 않다. Si가 0.50％를 초과하면 인성이나 용접성의 열화를 초래한다. 이 때문에, Si 함유량을 0.01∼0.50％로 규정한다. 더욱 바람직하게는, 0.01∼0.3％이다.
Mn: 0.5∼2.5％
Mn은, 강도, 인성을 위해 첨가한다. Mn이 0.5％ 미만에서는 그 효과가 충분하지 않다. 이 때문에, Mn 함유량은 0.5％ 이상으로 하고, MA 생성에 의한 저항복비화의 관점에서 바람직하게는, 1.2％ 이상이며, 보다 바람직하게는, 1.5％ 이상이다. Mn이 2.5％를 초과하면 인성과 용접성이 열화한다. 이 때문에, Mn 함유량을 2.5％ 이하로 규정하고, 바람직하게는, 2.2％ 이하이다.
P: 0.015％ 이하
P는, 용접성과 내HIC 특성을 열화시키는 불가피적 불순물 원소이다. 이 때문에, P 함유의 상한을 0.015％ 이하로 규정한다. 더욱 바람직하게는, 0.010％ 이하이다.
S: 0.002％ 이하
S는, 일반적으로는, 강 중에 있어서 MnS 개재물이 되어 내HIC 특성을 열화시킨다. 이 때문에, S는 적을수록 좋다. S가 0.002％ 이하라면 문제 없기 때문에, S 함유량의 상한을 0.002％로 규정한다. 더욱 바람직하게는, 0.0015％ 이하이다.
Cu: 0.20∼1.00％
Cu는 본 발명에 있어서 중요한 원소로서, 강 중으로의 수소의 침입을 억제하고, 내HIC 특성 향상에 기여한다. 그러나, Cu가 0.20％ 미만에서는 그 효과가 충분하지 않고, 1.00％를 초과하면 용접성이 열화한다. 이 때문에, Cu 함유량을 0.20∼1.00％로 규정한다. 바람직하게는, Cu 함유량은 0.25％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Cu 함유량은 0.5％ 이하이다.
Mo: 0.01％ 이하(0을 포함함)
Mo는 변형 시효에 의한 항복비의 상승, 및, 내HIC 특성의 열화를 초래한다. 이 때문에, Mo는 함유하지 않든지, 혹은 함유해도 0.01％ 이하로 규정한다. 더욱 바람직하게는, 0.005％ 이하이다.
Nb: 0.005∼0.05％
Nb는 조직의 미세화에 의해 인성을 향상시키고, 추가로 탄화물을 형성하고, 강도 상승에 기여한다. 그러나, Nb가 0.005％ 미만에서는 그 효과가 충분하지 않고, 0.05％를 초과하면 용접 열 영향부의 인성이 열화한다. 이 때문에, Nb 함유량을 0.005∼0.05％로 규정한다. 바람직하게는, Nb 함유량은 0.01 이상이다. 또한, 바람직하게는, Nb 함유량은 0.05％ 이하이다.
Ti: 0.005∼0.040％
Ti는 TiN의 피닝 효과(pinning effect)에 의해, 슬라브 가열시의 오스테나이트 조대화(coarsening)를 억제하고, 모재 인성을 향상시키고, 추가로 고용(solute) N을 저감하고 변형 시효에 의한 항복비 상승을 억제한다. 그러나, Ti가 0.005％ 미만에서는 그 효과가 충분하지 않고, 0.040％를 초과하면 용접 열 영향부의 인성이 열화한다. 이 때문에, Ti 함유량은 0.005∼0.040％로 규정한다. 더욱 바람직하게는, 0.005∼0.02％ 이다.
Al: 0.10％ 이하
Al은 탈산제로서 첨가된다. Al이 0.10％를 초과하면 강의 청정도가 저하하고, 인성이 열화한다. 이 때문에, Al 함유량은 0.10％ 이하로 규정한다. 바람직하게는, Al 함유량은 0.08％ 이하로 한다. 또한, 바람직하게는, Al 함유량은 0.01 이상이다.
N: 0.007％ 이하
N은 변형 시효에 의한 항복비의 상승, 및, 용접 열 영향부의 인성의 열화를 초래하는 불가피적 불순물 원소이다. 이 때문에, N 함유량의 상한을 0.007％로 규정한다. 바람직하게는, 0.006％ 이하이다.
이상이, 본 발명의 기본 성분이다. 또한, 강재의 강도 및 인성을 추가로 개선하고, 또한 내HIC 특성을 향상하는 목적으로, Ni, Cr, V, Ca, B의 1종 또는 2종 이상을 함유해도 좋다.
Ni: 0.02∼0.50％
Ni는 내HIC 향상에 기여하고, 인성의 개선과 강도의 상승에 유효한 원소이다. Ni가 0.02％ 미만에서는 그 효과가 충분하지 않고, 0.50％를 초과하면 효과가 포화하여, 오히려 비용적으로 불리해진다. 이 때문에, 함유하는 경우는 Ni 함유량을 0.02∼0.50％로 규정한다. 바람직하게는, Ni 함유량은 0.20％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Ni 함유량은 0.4％ 이하이다.
Cr: 1.00％ 이하
Cr은 저C에서도 충분한 강도를 얻기 위해 유효한 원소이다. Cr이 1.00％를 초과하면 용접성이 열화한다. 이 때문에, 함유하는 경우는 Cr 함유량의 상한을 1.00％로 규정한다. 바람직하게는, Cr 함유량은 0.5％ 이하이다. 또한, 바람직하게는, Cr 함유량은 0.1％ 이상이다.
V: 0.10％ 이하
V는 조직의 미세화에 의해 인성을 향상시키고, 추가로 탄화물을 형성하여, 강도의 향상에 기여한다. V가 0.10％를 초과하면 용접 열 영향부의 인성이 열화한다. 이 때문에, 함유하는 경우는 V 함유량은 0.10％ 이하로 규정한다. 바람직하게는, V 함유량은 0.05％ 이하이다. 또한, 바람직하게는, V 함유량은 0.005％ 이상이다.
Ca: 0.0050％ 이하
Ca는 황화물계 개재물의 형태 제어에 의한 인성 개선에 유효한 원소이다. Ca가 0.0050％를 초과하면 효과가 포화하여, 오히려, 강의 청정도의 저하에 의해 인성을 열화시킨다. 이 때문에, 함유하는 경우는, Ca 함유량을 0.0050％ 이하로 규정한다. 바람직하게는, Ca 함유량은 0.004％ 이하이다. 또한, 바람직하게는, Ca 함유량은 0.001％ 이상이다.
B: 0.0050％ 이하
B는 강도 상승, 용접 열 영향부의 인성 개선에 유효한 원소이다. B가 0.0050％를 초과하면 용접성을 열화시킨다. 이 때문에, 함유하는 경우는, B 함유량을 0.0050％ 이하로 규정한다. 더욱 바람직하게는, 0.003％ 이하이다. 또한, 바람직하게는, B 함유량은 0.0003％ 이상이다.
본 발명의 강재에 있어서의 상기 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 단, 본 발명의 작용 효과를 해치지 않는 범위라면, 상기 이외의 원소의 함유를 문제로 하지 않는다.
2. 금속 조직
본 발명의 강재의 금속 조직은, 페라이트 및 베이나이트를 주체로 하는 복상 조직(multi-phase structure)으로 한다. 페라이트 및 베이나이트를 주체로 하는 복상 조직이란, 페라이트 및 베이나이트의 면적 분율이 합계로 90％ 이상의 복상 조직이고, 잔부로서는, 마르텐사이트나 펄라이트, 섬 형상 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트 등으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 합계의 면적 분율이 10％ 이하의 조직이다.
또한, 페라이트와 베이나이트의 면적 분율은 특별히 한정할 필요는 없지만, 페라이트의 면적 분율이 10％ 미만에서는, 경도가 높은 베이나이트를 얻을 수 없는 경우가 있기 때문에, 페라이트와 베이나이트의 경도차를 크게 하여 저항복비화를 도모한다는 관점에서는, 페라이트의 면적율을 10％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 페라이트의 면적 분율이 50％를 초과하면 강도의 열화를 초래하는 경우가 있기 때문에, 강도 확보의 관점에서, 페라이트의 면적 분율은 50％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 저항복비 및 강도 확보의 관점에서, 베이나이트의 면적 분율은 10% 이상인 것이 바람직하다.
또한, 페라이트와 베이나이트의 경도차는, 비커스 경도(HV)로 70 이상으로 한다. 경도차를 70 이상으로 함으로써, 변형 시효 경화 처리 전후의 항복비 90％ 이하를 만족할 수 있다. 저항복비화의 관점에서는, 당해 경도차가 HV로 75 이상인 것이 바람직하다. 경도차가 HV로 70 미만의 경우, 페라이트 혹은 베이나이트의 단상 조직과 거동이 변하지 않고, 항복비가 높아져, 소망하는 항복비를 달성하는 것이 곤란해진다. 한편, 페라이트와 베이나이트의 경도차가 HV로 180보다 큰 경우, 내HIC 특성을 열화시킴과 함께 변형 시효 후의 항복비를 상승시키는 경우가 있기 때문에, 경도차는 HV로 180 이하로 하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 150 이하이다.
또한, 각 금속 조직은, 예를 들면, 광학 현미경 혹은 주사형 전자 현미경으로 관찰하고, 얻어진 적어도 3시야 이상의 마이크로 조직 사진을 화상 처리함으로써, 조직의 종류 및 각 상의 면적 분율을 구할 수 있다.
또한, 경도는 비커스 경도계에 의해 측정한 값으로 하고, 각각의 상의 내부에서 최적인 크기의 압흔(indentation)을 얻기 위해 임의의 하중을 선택할 수 있다. 페라이트와 베이나이트로 동일한 하중으로 경도 측정을 하는 것이 바람직하다. 또한, 마이크로 조직의 국소적인 성분 또는 측정 오차에 의한 편차를 고려하여, 각각의 조직에 대해서 적어도 15점 이상의 상이한 위치에서 경도 측정을 행하고, 페라이트와 베이나이트의 경도로서, 각각의 조직의 평균 경도를 이용하는 것이 바람직하다. 평균 경도를 이용하는 경우의 경도차는, 페라이트의 경도의 평균값과, 베이나이트의 경도의 평균값의 차의 절댓값을 이용하는 것으로 한다.
3. 변형 시효 처리 전후의 인장 특성
300℃ 이하의 온도의 변형 시효 처리 전 및 변형 시효 처리 후에 있어서의 균일 연신이 9％ 이상 및 항복비가 90％ 이하
지진 지대에 적용되는 라인 파이프용 강재는, 지반 변동과 같은 큰 변형을 받는 경우라도 파괴하지 않도록 고변형능인 것이 요구되고 있고, 추가로 방식을 위한 코팅으로 최대 300℃로 가열되는 변형 시효 처리 후라도 고변형능을 유지하는 것이 필요하다. 300℃ 이하의 온도의 변형 시효 처리 전 및 변형 시효 처리 후에 있어서의 균일 연신이 9％ 이상 및 항복비가 90％ 이하인 경우는, 충분한 고변형능이 얻어지고, 지진 등의 대변형에 의해 파괴에 이를 우려는 없다. 고변형능의 관점에서, 300℃ 이하의 온도의 변형 시효 처리 전 및 변형 시효 처리 후에 있어서의 균일 연신은 10％ 이상 및 항복비가 88％ 이하인 것이 바람직하다.
4. 제조 조건
전술한 성분 조성을 갖는 강 소재를 이용하고, 가열 온도: 1000∼1300℃, 압연 종료 온도: Ar3점 이상에서 열간 압연을 행한 후, (Ar3-50)∼(Ar3＋30)℃로부터 5℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각 정지 온도 500∼650℃까지 가속 냉각을 행함으로써, 소망하는 금속 조직으로 할 수 있다. 또한, 온도는 강재의 중앙부의 온도로 한다. 또한, Ar3점은, 이하의 식으로 계산된다.
Ar3(℃)=910-310C-80Mn-20Cu-15Cr-55Ni-80Mo
상기식에 있어서, 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량％)을 나타내고, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.
다음으로, 각 제조 조건의 한정 이유에 대해서 설명한다.
가열 온도: 1000∼1300℃
가열 온도가 1000℃ 미만에서는 탄화물의 고용이 불충분하고 필요한 강도가 얻어지지 않고, 1300℃을 초과하면 모재 인성이 열화한다. 이 때문에, 가열 온도를 1000∼1300℃로 규정한다.
압연 종료 온도: Ar3점 이상
압연 종료 온도가 Ar3점 미만이면, 그 후의 페라이트 변태 속도가 저하하고, 압연에 의한 소성 변형이 페라이트 중에 잔존하여 페라이트 강도가 높아지고, 페라이트와 베이나이트의 경도차가 저하하여, 소망하는 항복비를 달성할 수 없게 된다. 이 때문에, 압연 종료 온도를 Ar3점 이상으로 규정한다. 또한, 900℃ 이하의 온도역에 있어서의 누적 압하율을 50％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 900℃ 이하의 온도역에 있어서의 누적 압하율을 50％ 이상으로 함으로써, 오스테나이트 입자를 미세화할 수 있다.
가속 냉각의 냉각 개시 온도: (Ar3-50)∼(Ar3＋30)℃
냉각 개시 온도가 (Ar3-50)℃ 미만의 온도에서는 페라이트의 면적 분율이 증가하여, 모재 강도가 열화한다. 또한, 페라이트와 베이나이트의 경도차가 커지고, 내HIC 특성이 열화한다. 따라서, 냉각 개시 온도는 (Ar3-50)℃ 이상으로 하고, 바람직하게는, (Ar3-30)℃ 이상이다. 또한, 냉각 개시 온도가 (Ar3＋30)℃를 초과하면 페라이트의 면적 분율이 감소함과 함께 페라이트와 베이나이트의 경도차의 저하가 발생하고, 저항복비화를 달성하기에는 불충분하게 된다. 따라서, 냉각 개시 온도는 (Ar3＋30)℃ 이하로 하고, 바람직하게는, (Ar3＋25)℃ 이하이다.
가속 냉각의 냉각 속도: 5℃/s 이상
냉각 속도가 5℃/s 미만에서는 냉각시에 펄라이트를 생성하여, 충분한 강도나 저항복비가 얻어지지 않는다. 이 때문에, 냉각 속도를 5℃/s 이상으로 규정한다. 바람직하게는, 냉각 속도는 8℃/s 이상, 보다 바람직하게는 10℃/s 이상이다. 또한, 바람직하게는, 냉각 속도는 100℃/s 이하, 보다 바람직하게는 60℃/s 이하이다.
냉각 정지 온도: 500∼650℃
본 발명에 있어서, 가속 냉각의 냉각 정지 온도는 중요한 제조 조건이다. 냉각 정지 온도가 500 미만에서는, 변태에 의해 발생한 전위(dislocation)와고용 C가 많이 존재하여, 변형 시효 처리 후의 항복비가 상승하여, 저항복비화가 달성할 수 없다. 650℃를 초과하면 베이나이트가 연화하고, 페라이트와 베이나이트의 경도차가 HV로 70 미만이 되어, 저항복비화를 달성할 수 없다. 이 때문에, 가속 냉각의 냉각 정지 온도를 500∼650℃로 규정한다. 바람직하게는, 냉각 정지 온도는 515℃ 이상, 보다 바람직하게는 530℃ 이상이다. 또한, 바람직하게는, 냉각 정지 온도는 635℃ 이하, 보다 바람직하게는 620℃ 이하이다.
이상의 제조 프로세스에 의해, 300℃ 이하의 온도의 변형 시효 처리 전후에 있어서의 균일 연신이 9％ 이상 및 항복비가 90％ 이하인 내변형 시효 특성 및 내HIC성이 우수한 고변형능 라인 파이프용 강재를 얻는 것이 가능해진다. 본 발명에 있어서는, 일반적인 강관의 코팅 공정에 있어서의 300℃ 이하의 온도역으로의 열 이력을 거쳐도, 변형 시효에 의해 항복비 상승이나 균일 연신의 저하를 억제할 수 있고, 균일 연신 9％ 이상 및 항복비 90％ 이하를 확보할 수 있다. 또한, 코팅 처리시의 열처리에 있어서는, 변형 시효 경화 현상이 발생하기 때문에, 변형 시효 처리 전과 변형 시효 처리 후의 저항복비화를 달성함으로써, 용접 강관 제조에 있어서 코팅 처리를 행해도 저항복비화를 달성할 수 있다.
5. 용접 강관의 제조 방법
또한, 용접 강관의 제조 방법에 대해서 설명한다.
본 발명은 전술의 강재를 이용하여 강관을 이룬다. 강관의 성형 방법으로서는, UOE 프로세스나 프레스 벤드(press bending)(벤딩 프레스(bending press)라고도 칭함) 등의 냉간 성형에 의해 강관 형상으로 성형하는 방법을 들 수 있다.
UOE 프로세스에서는, 소재가 되는 후강판의 폭방향 단부에 개선 가공(beveled)을 실시한 후, 프레스기를 이용하여 강판의 폭방향 단부의 단 굽힘을 행하고, 계속해서, 프레스기를 이용하여 강판을 U자 형상으로 그리고 O자 형상으로 성형함으로써, 강판의 폭방향 단부끼리가 대향하도록 강판을 원통 형상으로 성형한다. 이어서, 강판의 대향하는 폭방향 단부를 맞대어 용접한다. 이 용접을 시임 용접(seam welding)이라고 칭한다. 이 시임 용접에 있어서는, 원통 형상의 강판을 구속하고, 대향하는 강판의 폭방향 단부끼리를 맞대어 가용접(tack welding)하는 가용접 공정과, 서브머지드 아크 용접법(submerged arc welding)에 의해 강판의 맞댐부의 내외면에 용접을 실시하는 본 용접(final welding) 공정의, 2단계의 공정을 갖는 방법이 바람직하다. 시임 용접을 행한 후에, 용접 잔류 응력의 제거와 강관 진원도(roundness)의 향상을 위해, 확관을 행한다. 확관 공정에 있어서 확관율(확관 전의 관의 외경에 대한 확관 전후의 외경 변화량의 비)은, 통상, 0.3％∼1.5％의 범위에서 실시된다. 진원도 개선 효과와 확관 장치에 요구되는 능력의 균형의 관점에서, 확관율은 0.5％∼1.2％의 범위인 것이 바람직하다. 그 후, 방식을 목적으로 하여 코팅 처리를 실시할 수 있다. 코팅 처리로서는, 외면에, 예를 들면, 200∼300℃의 온도역으로 가열한 후, 예를 들면 공지의 수지를 도포하면 좋다.
프레스 벤드의 경우에는, 강판에 3점 굽힘을 반복함으로써 순서대로 성형하고, 거의 원형의 단면 형상을 갖는 강관을 제조한다. 그 후는, 전술의 UOE 프로세스와 동일하게, 시임 용접을 실시한다. 프레스 벤드의 경우에도, 시임 용접의 후, 확관을 실시해도 좋고, 또한, 코팅을 실시할 수도 있다.
실시예 1
표 1에 나타내는 성분 조성(잔부는 Fe 및 불가피적 불순물)의 강(강종 A∼K)을, 표 2에 나타내는 조건으로 판두께 30㎜, 33㎜의 강재를 제조했다. 또한, 가열 온도, 압연 종료 온도, 냉각 정지(종료) 온도 등의 온도는 강재의 중앙부 온도로 했다. 중앙부 온도는, 슬라브 또는 강판의 중앙부에 열전대를 삽입하고, 직접 측정, 혹은, 슬라브 또는 강판의 표면 온도로부터, 판두께, 열전도율 등의 파라미터를 이용하여 산출했다. 또한, 냉각 속도는, 열간 압연 종료 후, 냉각 정지(종료) 온도까지 냉각에 필요한 온도차를 그 냉각을 행하는 데에 필요로 한 시간으로 나눈 평균 냉각 속도이다.
Figure pct00001
Figure pct00002
상기와 같이 제조한 강재에 대해서, 조직 관찰을 행함과 함께, 인장 특성, 경도차, 내HIC 특성을 평가했다. 평가 방법은 이하와 같다.
(1) 조직 관찰
얻어진 후강판으로부터 조직 관찰용 시험편을 채취하고, L 방향 단면을 연마, 나이탈(nital) 부식하고, 판두께 중앙 위치로부터 ±2㎜의 영역인 판두께 중앙부에 대해서, 광학 현미경(배율: 400배) 또는 주사형 전자 현미경(배율: 2000배)을 이용하여, 마이크로 조직을 각 3시야 이상 관찰하고, 촬상하여 화상 해석에 의해, 조직의 종류 및 각 상의 면적 분율을 구했다.
(2) 인장 특성
변형 시효 처리 전의 인장 특성에 대해서는, 압연 수직 방향의 JIS Z 2201로 규정되는 4호 시험편을 2개 채취하고, 인장 시험을 행하여, 그 평균값으로 평가했다. 인장 강도 517㎫ 이상(API 5L X60 이상)을 본 발명에 필요한 강도로 했다. 항복비, 균일 연신은, 압연 방향의 JIS Z 2201로 규정되는 4호 시험편을 2개 채취하고, 인장 시험을 행하고, 그 평균값으로 평가했다. 항복비 90％ 이하, 균일 연신 9％ 이상을 본 발명에 필요한 항복비로 했다.
또한, 변형 시효 처리 후의 인장 특성에 대해서는, 압연 방향의 JIS Z 2201로 규정되는 4호 시험편을 2개 채취하고, 2.0％의 인장 변형을 부여한 후, 250℃에서 5분간 유지하고, 변형 시효 처리한 후, 인장 시험을 실시하고, 그 평균값으로 평가했다. 또한, 변형 시효 처리 후의 평가 기준은, 전술한 변형 시효 처리 전의 평가 기준과 동일한 기준으로 판정했다.
(3) 경도차
얻어진 후강판으로부터 경도 측정용 시험편을 채취하고, 페라이트와 베이나이트의 경도를, 측정 하중 5g의 비커스 경도계에 의해 측정하고, 10점 이상의 측정 결과의 평균값을 이용하여, 페라이트와 베이나이트의 경도차를 구했다. 또한, 표 3 No. 10은 페라이트를 포함하지 않기 때문에 시험하지 않았다.
(4) 내HIC 특성
100％ 황화수소를 포화시킨 pH 약 5.0의 5％ NaCl을 포함하는 1㏖/l 초산＋초산 나트륨 완충 용액 중에 96시간 침지하는 조건으로 HIC 시험을 행하고, 균열이 인정되지 않은 경우를 내HIC 특성 양호라고 판단하고 ○표로 나타내고, 균열이 발생한 경우를 ×표로 나타냈다.
측정 결과를 표 3에 나타낸다.
Figure pct00003
표 3에 있어서, 본 발명예인 No. 1∼7은 모두, 성분 및 제조 방법이 본 발명의 범위 내이고, 2.0％의 인장 변형을 부여하고, 250℃에서 5분간의 변형 시효 처리 전후로, 인장 강도 517㎫ 이상의 고강도로 항복비 90％ 이하, 균일 연신 9％ 이상이 되고, 저항복비, 고균일 연신이고, 또한 우수한 내HIC 특성을 나타냈다.
또한, 강재의 금속 조직은 페라이트와 베이나이트 주체이고, 페라이트와 베이나이트의 경도차가 비커스 경도로 70 이상이었다.
한편, 비교예인 No. 8∼11은, 성분 조성은 본 발명의 범위 내이지만, 제조 방법이 본 발명의 범위 외이기 때문에, 금속 조직, 강도, 변형 시효 처리 전후 어느 하나에 있어서의 항복비, 균일 연신 중 어느 것이 불충분했다. No. 12∼16은 성분 조성이 본 발명의 범위 외, 경우에 따라 제조 방법도 본 발명의 범위 외이기 때문에, 충분한 강도가 얻어지지 않거나, 항복비가 높거나, 균일 연신이 낮거나, HIC 시험에서 균열이 발생했다.

Claims (4)

  1. 성분 조성으로서, 질량％로, C: 0.030∼0.100％, Si: 0.01∼0.50％, Mn: 0.5∼2.5％, P: 0.015％ 이하, S: 0.002％ 이하, Cu: 0.20∼1.00％, Mo: 0.01％ 이하, Nb: 0.005∼0.05％, Ti: 0.005∼0.040％, Al: 0.10％ 이하, N: 0.007％ 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 금속 조직은 페라이트 및 베이나이트를 주체로 하고, 상기 페라이트 및 베이나이트의 면적 분율은 합계로 90％ 이상이고, 상기 페라이트와 상기 베이나이트의 경도차가 비커스 경도로 70 이상이고, 300℃ 이하의 온도의 변형 시효 처리 전 및 변형 시효 처리 후에 있어서의 균일 연신이 9％ 이상 및 항복비가 90％ 이하인 내변형 시효 특성 및 내HIC 특성이 우수한 고변형능 라인 파이프용 강재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 성분 조성에, 추가로, 질량％로, Ni: 0.02∼0.50％, Cr: 1.00％ 이하, V: 0.10％ 이하, Ca: 0.0050％ 이하, B: 0.0050％ 이하 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 내변형 시효 특성 및 내HIC 특성이 우수한 고변형능 라인 파이프용 강재.
  3. 제1항 또는 제2항에 기재된 성분 조성을 갖는 강을, 1000∼1300℃의 온도로 가열하고, Ar3점 이상의 압연 종료 온도로 열간 압연한 후, (Ar3-50)∼(Ar3＋30)℃로부터 5℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각 정지 온도 500∼650℃까지 가속 냉각을 행하는, 금속 조직이 페라이트 및 베이나이트 주체이고, 상기 페라이트 및 베이나이트의 면적 분율은 합계로 90％ 이상이고, 상기 페라이트와 상기 베이나이트의 경도차가 비커스 경도로 70 이상이고, 300℃ 이하의 온도의 변형 시효 처리 전 및 변형 시효 처리 후에 있어서의 균일 연신이 9％ 이상, 항복비가 90％ 이하인 내변형 시효 특성 및 내HIC 특성이 우수한 고변형능 라인 파이프용 강재의 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 기재된 내변형 시효 특성 및 내HIC 특성이 우수한 고변형능 라인 파이프용 강재를 소재로 하는 용접 강관.
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