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KR20200040826A - 강관 및 강판 - Google Patents

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KR20200040826A
KR20200040826A KR1020207007320A KR20207007320A KR20200040826A KR 20200040826 A KR20200040826 A KR 20200040826A KR 1020207007320 A KR1020207007320 A KR 1020207007320A KR 20207007320 A KR20207007320 A KR 20207007320A KR 20200040826 A KR20200040826 A KR 20200040826A
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다쿠야 하라
야스히로 시노하라
Original Assignee
닛폰세이테츠 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 강관은, 통 형상의 강판으로 이루어지는 모재부와, 상기 강판의 맞댐부에 마련되어, 상기 강판의 길이 방향으로 연장되는 용접부를 갖고, 상기 강판은, 소정의 화학 조성을 갖고, 상기 강판은, ESSP: 1.5 내지 3.0, 또한, Ceq: 0.20 내지 0.50을 만족시키고, 상기 모재부의 표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 범위인 표층부의 금속 조직이, 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 면적률의 합계로 80％ 초과 포함하고, 상기 모재부의 상기 표층부에 있어서의 최고 경도인 Hvmax가 250Hv 이하이고, 항복비가 85％ 이상이다.

Description

강관 및 강판
본 발명은, 강관과 그 강관의 소재로서 적합한 강판에 관한 것이다.
근년, 유정이나 가스정(이하, 「유정」이라고 총칭하는 경우가 있음)의 굴삭 심도는, 점점 깊어지는 경향이 있다. 이에 따라, 유정용 강관에는 고강도화가 요구되고 있다. 또한, 유정용 강관은, 부식성 가스를 포함하는 산성이 심한 환경(고압 황화수소 환경)에 노출되므로, 황화물 응력 균열(Sulfide Stress Cracking, 이하 「SSC」라고 하는 경우가 있음)이나, 수소 유기 균열(Hydrogen Induced Cracking, 이하 「HIC」라고 하는 경우가 있음)이 문제가 된다. 또한, 기름이나 가스를 수송하는 파이프 라인에 사용되는 강관도, 유정으로부터 생산된 부식성 가스에 노출된다. 그 때문에, 파이프 라인에 사용되는 강관(라인 파이프)에도, 내황화물 응력 균열성(내SSC성) 및 내수소 유기 균열성(내HIC성)이 요구된다.
이하, 내황화물 응력 균열성(내SSC성) 및 내수소 유기 균열성(내HIC성)을 「내사워성」이라고 총칭하는 경우가 있다.
SSC나 HIC는, 주로, 개재물이나 용접부의 근방에서 발생한다. 그 때문에, 종래, 고강도와 내사워성이 요구되는 용도에는, 주로, 심리스 강관이 사용되고 있었다. 또한, 고압 황화수소 환경 하에서는, 보통 강이나 저합금 강이 아닌, 스테인리스 강관이나, 고합금 강관이 사용되고 있었다. 그러나, 최근에는, 제조 비용 삭감의 관점에서, 고압 황화수소 환경 하에서 사용 가능한, 저렴한 강관이 요망되고 있다.
고압 황화수소 환경 하에서의 내사워성을 높이는 방법으로서, 예를 들어 비특허문헌 1에는, 125ksi급의 고강도 유정관에 있어서, (a) 비금속 개재물을 미세 분산시켜서 공식을 방지하는, (b) 나노 사이즈의 탄화물을 활용하여, 고온 템퍼링으로 전위 밀도를 저감하는, (c) M3C의 구상화와 조대 탄화물 M23C6의 생성 방지에 의해 입계 탄화물의 형태를 개선하는, 등의 조직 제어가 제안되어 있다.
비특허문헌 1에는, 이들의 방법을 적용하여 개발한 강의 내SSC성을, 환경 조건을 바꾸어서 평가하여, 개발 강이 종래 강보다 우수한 성능을 갖는 것이 개시되어 있다.
그러나, 비특허문헌 1은 심리스 강관에 관한 것으로, 트렁크 라인 등에 사용되는 대경 용접 강관에 적용할 수 없고, 또한 파이프 라인에 사용되는 강관에 중요한 특성인 용접성이 떨어지는 등, 적용 범위가 한정된다고 하는 과제가 있었다.
이에 비해, 특허문헌 1 및 비특허문헌 2에는, 내사워성에는 경도가 영향을 미친다는 지견에 기초하여 모재부 및 용접부의 경도를 220Hv 이하로 규정한, 내사워성이 우수한 용접 강관 또는 이 강관용의 강판에 대하여 제안되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 질량％로, 중심 편석부의 경도를 나타내는 지표인 CP값(=4.46×[％C]+2.37×[％Mn]/6+(1.74×[％Cu]+1.7×[％Ni])/15+(1.18×[％Cr]+1.95×[％Mo]+1.74×[％V])/5+22.36×[％P])이 1.0 이하이고, 강 조직이 베이나이트 조직이고, 판 두께 방향의 경도의 변동 ΔHV가 30 이하이고, 또한, 판 폭 방향의 경도의 변동 ΔHV가 30 이하인, 내사워 라인 파이프용 고강도 강판이 제안되어 있다.
또한, 특허문헌 3에는, 금속 조직이 베이나이트 조직이고, 판 두께 방향의 경도 변동이 ΔHv10에서 25 이하이고, 판 폭 방향의 경도 변동이 ΔHv10에서 25 이하이고, 강판 표층부의 최고 경도가 Hv10에서 220 이하인, 강판 내의 재질 균일성이 우수한 내사워 라인 파이프용 고강도 강판이 제안되어 있다.
또한, 특허문헌 4에는, 강판 표면으로부터 판 두께 방향으로 1mm까지의 범위의 금속 조직이, 템퍼링 마르텐사이트, 템퍼링 베이나이트 중에서 선택되는 1종 또는 2종으로 이루어지고, 판 두께 중심부로부터 판 두께 방향으로 ±1mm의 범위의 금속 조직에 있어서, 템퍼링 마르텐사이트, 템퍼링 베이나이트 중에서 선택되는 1종 또는 2종으로 이루어지는 주상이 면적률로 80％ 이상이고, 주상 이외의 잔부가 페라이트, 펄라이트, 시멘타이트, 잔류 오스테나이트 중에서 선택되는 1종 이상으로 이루어지고, 또한, 강판 표면으로부터 판 두께 방향으로 1mm의 위치의 경도가 비커스 경도로 250HV 이하, 강판 표면으로부터 1mm의 위치와 판 두께 중심부의 경도 차가 비커스 경도로 60HV 이하인, 내수소 유기 균열성이 우수한 조질 강판이 제안되어 있다.
특허문헌 1 내지 4 및 비특허문헌 2의 강판에서는, 황화수소 분압 0.1MPa(1bar) 이하의 환경 하에서의 내사워성에 대해서는 향상된다. 그러나, 최근의 유정 환경은 보다 가혹화하고, 파이프 라인 등에 사용되는 용접 강관의 내사워성에 대한 요구 수준은 보다 높아지고 있다. 종래는, 황화수소 분압 0.1MPa(1bar) 이하의 환경에서의 내사워성이 요구되고 있었지만, 최근에는, 0.1MPa를 초과하는 고압 황화수소 환경을 견디어낼 수 있는 재료가 요구되고 있다.
본 발명자들의 검토에 의하면, 특허문헌 1 내지 4의 강판 및 비특허문헌 2의 강판은, 표층부의 전 범위에 걸쳐 조직 및 경도를 제어하고 있지 않고, 황화수소 분압 0.1MPa(1bar) 초과의 환경 하에서의 내사워성에 대해서는, 충분하지 않았다.
일본 특허 공개 2011-017048호 공보 일본 특허 공개 2012-077331호 공보 일본 특허 공개 2013-139630호 공보 일본 특허 공개 2014-218707호 공보
신닛테츠 스미킨 기보 제397호(2013), p.17 내지 22 JFE 기보 No.9(2005년 8월）p.19 내지 24
상술한 바와 같이, 최근의 유정 환경은 보다 가혹화하고, 그 결과, 수송용의 파이프 라인에 사용되는 용접 강관의 내사워성에 대한 요구 수준은 종래보다 고도화되고 있다. 그래서, 본 발명은, 가혹한 고압 황화수소 환경에서 사용할 수 있는 내사워성이 우수한 강관 및 그 강관의 소재로 되는 강판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
보다 구체적으로는, 종래 강과 동등 또는 그 이상의 내HIC성을 갖고, 항복 강도가 350MPa 이상이고, 또한, 황화수소 분압이 0.1MPa를 초과하는 황화수소를 포함하는 30℃ 이하의 환경에서, 항복 강도의 90％ 이상의 응력을 부하해도 균열이 발생하지 않는 내SSC성이 우수한 강관 및 그 강관의 소재로 되는 강판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하는 방법을 검토하기 위해서, 황화수소 분압이 0.1MPa를 초과하는 고압 황화수소 환경(예를 들어, 5％ 식염과 아세트산을 함유하는 H2S 포화 용액 중)에서 균열된 강판의 파면과 조직을 관찰하였다. 그 결과, 다음의 지견을 얻었다.
(a) 황화수소 분압이 0.1MPa를 초과하는 고압 황화수소 환경 하에서의 내사워성을 향상시키기 위해서는, 강판의 내HIC성뿐만 아니라, 내SSC성도 제어할 필요가 있다. 수소 유기 균열(HIC)은, 강판 중심부 근방에 존재하는 중심 편석부에서 발생한다. 한편, 황화물 응력 균열(SSC)은, 종래 거의 고려되어 있지 않았던 강관의 표면으로부터 1.0mm의 범위(표층부)의 조직 및 경도에 의존한다.
(b) 표층부의 금속 조직을, 주로, 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트, 템퍼링 마르텐사이트의 1종 이상을 합계로 80％ 초과 포함하는 조직으로 한 뒤에, 표층부의 금속 조직에 있어서의 최고 경도를 250Hv 이하로 하면, 강판의 내사워성(내SSC성)이 향상된다.
(c) 표층부의 조직을 상기와 같이 제어하기 위해서는, 하기 식 (2)로 정의하는 탄소 당량 Ceq를 0.20 내지 0.50으로 제어한 뒤에, 냉각 패턴을 엄밀하게 제어하는 것이 중요하다.
Ceq=[C]+[Mn]/6+([Cu]+[Ni])/15+([Cr]+[Mo]+[V])/5 …(2)
[원소]: 원소의 질량％(포함하지 않는 원소는 0％)
(d) 또한, 권취를 전제로 한 열연 강판의 제조 방법을 적용한 강판에서는, 가속 냉각 정지 후의 냉각 속도가 방랭보다도 느려진다. 이 경우, 경도의 변동은 작아지지만, 상술한 표층부의 조직 및/또는 경도가 얻어지지 않는다. 그 때문에, 상술한 표층부의 조직 및 경도를 얻기 위해서는, 소위 후판 공정에 의해 제조할 필요가 있다.
본 발명은, 상기 지견에 기초하여 이루어졌다. 그 요지는 이하와 같다.
(1) 본 발명의 일 형태에 관한 강관은, 통 형상의 강판으로 이루어지는 모재부와, 상기 강판의 맞댐부에 마련되어, 상기 강판의 길이 방향으로 연장되는 용접부를 갖고, 상기 강판은, 화학 조성으로서, 질량％로, C: 0.030 내지 0.080％, Mn: 0.80 내지 1.60％, Nb: 0.006 내지 0.100％, Ti: 0.001 내지 0.030％, Ca: 0.0005 내지 0.0050％, N: 0.0010 내지 0.0080％, Cr: 0 내지 1.00％, Mo: 0 내지 0.50％, Ni: 0 내지 1.00％, Cu: 0 내지 1.00％, V: 0 내지 0.10％, Mg: 0 내지 0.0100％, REM: 0 내지 0.0100％를 포함하고, O: 0.0050％ 이하, Si: 0.50％ 이하, Al: 0.060％ 이하, P: 0.020％ 이하, S: 0.003％ 이하로 제한되고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고, 상기 강판은, 하기 식 (i)로 정의되는 ESSP: 1.5 내지 3.0, 또한, 하기 식 (ii)로 정의되는 Ceq: 0.20 내지 0.50을 만족시키고, 상기 모재부의 표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 범위인 표층부의 금속 조직이, 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 면적률의 합계로 80％ 초과 포함하고, 상기 모재부의 상기 표층부에 있어서의 최고 경도인 Hvmax가 250Hv 이하이고, 항복비가 85％ 이상이다.
ESSP=[Ca]×(1-124×[O])/(1.25×[S]) …(i)
Ceq=[C]+[Mn]/6+([Cu]+[Ni])/15+([Cr]+[Mo]+[V])/5 …(ii)
여기서, 상기 식 (1) 및 상기 식 (2) 중의 [Ca], [O], [S], [C], [Mn], [Cu], [Ni], [Cr], [Mo], [V]는, 상기 강판 중의 각각 Ca, O, S, C, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, V의 질량％에서의 함유량을 나타낸다.
(2) 상기 (1)에 관한 강관은, 상기 강판의 상기 화학 조성이, 질량％로, Cr: 0.10 내지 1.00％, Mo: 0.03 내지 0.50％, Ni: 0.10 내지 1.00％, Cu: 0.10 내지 1.00％, V: 0.005 내지 0.10％, Mg: 0.0010 내지 0.0100％, REM: 0.0010 내지 0.0100％로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함해도 된다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 관한 강관은, 상기 Hvmax가 240Hv 이하여도 된다.
(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 강관은, 상기 모재부의 판 두께가 10 내지 40mm이고, 관경이 508mm 이상이어도 된다.
(5) 본 발명의 다른 형태에 관한 강판은, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 강관의 상기 모재부에 사용된다.
본 발명의 상기 양태에 의하면, 내HIC성이 우수하고, 항복 강도가 350MPa 이상이고, 또한, 황화수소 분압 0.1MPa 초과의 황화수소를 포함하는 30℃ 이하의 환경에서 항복 강도의 90％ 이상의 응력을 부하해도 균열이 발생하지 않는, 우수한 내SSC성을 갖는 강관과, 이 강관의 소재로서 사용할 수 있는 강판을 제공할 수 있다. 이 강판은, 석유, 천연가스 등의 굴삭용 강관 또는 수송용 강관의 제조에 적합하고, 이 강판으로 제조되는 강관은, 고압 황화수소 환경에서의 사용에 적합하다.
도 1은, 열간 압연 종료 후의 가속 냉각의 일 형태를 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 2a는, 복열 후의 강판의 표층부의 경도 분포의 일례를 도시하는 도면이고, 복열 횟수 1회의 경우의 경도 분포를 도시하는 도면이다.
도 2b는, 복열 후의 강판의 표층부의 경도 분포의 일례를 도시하는 도면이고, 복열 횟수 2회의 경우의 경도 분포를 도시하는 도면이다.
도 2c는, 복열 후의 강판의 표층부의 경도 분포의 일례를 도시하는 도면이고, 복열 횟수 3회의 경우의 경도 분포를 도시하는 도면이다.
도 3a는, 강판의 최표면으로부터 0.5mm 아래의 조직(주사 전자 현미경으로 촬상)을 도시하는 도면이며, 그래뉼러 베이나이트의 일례를 도시하는 조직 사진이다.
도 3b는, 강판의 최표면으로부터 0.5mm 아래의 조직(주사 전자 현미경으로 촬상)을 도시하는 도면이며, 애시큘러 페라이트의 대표적인 조직 사진이다.
도 4는, 최고 경도, 황화수소 분압 및 황화물 응력 균열(SSC)의 발생 유무의 관계를 도시하는 도면이다.
도 5는, 본 실시 형태에 따른 강관을 도시하는 모식도이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 강관(본 실시 형태에 따른 강관)은,
(i) 통 형상의 강판으로 이루어지는 모재부와, 상기 강판의 맞댐부에 마련되어, 상기 강판의 길이 방향으로 연장되는 용접부를 갖고,
(ii) 상기 강판은, 소정의 화학 조성을 갖고, 또한, 하기 식 (1)로 정의되는 ESSP: 1.5 내지 3.0 및 하기 식 (2)로 정의되는 Ceq: 0.20 내지 0.50을 만족시키고,
(iii) 상기 모재부의 표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 범위인 표층부의 금속 조직이, 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 면적률의 합계로 80％ 초과 포함하고,
(iv) 상기 모재부의 상기 표층부에 있어서의 최고 경도인 Hvmax가 250Hv 이하, 바람직하게는 240Hv 이하이고,
(v) 항복비가 85％ 이상이고,
(vi) 바람직하게는, 모재부의 판 두께가 10 내지 40mm, 관경이 508mm 이상이다.
ESSP=[Ca]×(1-124×[O])/(1.25×[S]) …(1)
Ceq=[C]+[Mn]/6+([Cu]+[Ni])/15+([Cr]+[Mo]+[V])/5 …(2)
여기서, 식 (1) 및 식 (2) 중의 [Ca], [O], [S], [C], [Mn], [Cu], [Ni], [Cr], [Mo], [V]는, 각각 Ca, O, S, C, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, V의 질량％에서의 함유량을 나타낸다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 강판(본 실시 형태에 따른 강판)은, 본 실시 형태에 따른 강관의 모재부에 사용된다. 즉, 본 실시 형태에 따른 강판을 통 형상으로 가공하고, 맞댐부를 용접함으로써, 본 실시 형태에 따른 강관을 얻을 수 있다.
이하, 본 실시 형태에 따른 강관, 본 실시 형태에 따른 강판 및 이들의 바람직한 제조 방법에 대해서, 설명한다.
본 실시 형태에 따른 강관의 모재부(즉, 본 실시 형태에 따른 강판)는, 이하에 나타내는 화학 조성을 갖는다. 본 실시 형태에 있어서, 언급이 없는 한 화학 조성에 관한 ％는, 질량％를 의미한다.
C: 0.030 내지 0.080％
C는, 강의 강도를 향상시키는 원소이다. C 함유량이 0.030％ 미만이면, 강도 향상 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 그 때문에, C 함유량은 0.030％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.035％ 이상이다. 한편, C 함유량이 0.080％를 초과하면, 마르텐사이트, 베이나이트, 그래뉼러 베이나이트 등의 저온 변태 생성상의 경도가 높아지기 쉬워짐과 함께, 탄화물이 많이 생성되고, HIC가 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, C 함유량은 0.080％ 이하로 한다. 보다 우수한 내HIC성의 확보 및/또는 용접성이나 인성의 저하를 보다 억제하는 경우, C 함유량은 0.070％ 이하가 바람직하고, 0.065％ 이하가 보다 바람직하고, 0.060％ 이하가 더욱 바람직하다.
Mn: 0.80 내지 1.60％
Mn은, 강의 강도 및 인성을 향상시키는 원소이다. Mn 함유량이 0.80％ 미만이면, 이들 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 그 때문에, Mn 함유량은 0.80％ 이상으로 한다. Mn 함유량은, 바람직하게는 0.90％ 이상, 보다 바람직하게는 1.00％ 이상이다. 한편, Mn 함유량이 1.60％를 초과하면, 내사워성이 저하된다. 그 때문에, Mn 함유량은 1.60％ 이하로 한다. 바람직하게는 1.50％ 이하이다.
Nb: 0.006 내지 0.100％
Nb는, 탄화물이나 질화물을 형성하여, 열간 압연 중의 재결정을 억제하고, 강의 강도, 저온 인성의 향상에 기여하는 원소이다. Nb 함유량이 0.006％ 미만이면, 이들 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 그 때문에, Nb 함유량은 0.006％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.008％ 이상, 보다 바람직하게는 0.010％ 이상이다. 한편, Nb 함유량이 0.100％를 초과하면, 중심 편석부에, Nb의 탄질화물이 집적하여, 내HIC성이 저하된다. 그 때문에, Nb 함유량은 0.100％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.080％ 이하, 보다 바람직하게는 0.060％ 이하이다.
Ti: 0.001 내지 0.030％
Ti는, 탄질화물을 형성하여 결정립의 세립화에 기여하는 원소이다. Ti 함유량이 0.001％ 미만이면, 이 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 그 때문에, Ti 함유량은 0.001％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.008％ 이상, 보다 바람직하게는 0.010％ 이상이다. 한편, Ti 함유량이 0.030％를 초과하면, 조대한 탄질화물이 과잉으로 생성되어, 내HIC성이나 인성이 저하된다. 그 때문에, Ti 함유량은 0.030％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.025％ 이하, 보다 바람직하게는 0.020％ 이하이다.
Ca: 0.0005 내지 0.0050％
Ca는, 강 중에서 CaS를 형성함으로써 압연 방향으로 신장하는 MnS의 형성을 억제하고, 그 결과, 내HIC성의 향상에 기여하는 원소이다. Ca 함유량이 0.0005％ 미만이면, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 그 때문에, Ca 함유량은 0.0005％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.0010％ 이상, 보다 바람직하게는 0.0015％ 이상이다. 한편, Ca 함유량이 0.0050％를 초과하면, 산화물이 집적하여, 내HIC성이 저하된다. 그 때문에, Ca 함유량은 0.0050％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.0045％ 이하, 보다 바람직하게는 0.0040％ 이하이다.
N: 0.0010 내지 0.0080％
N은, Ti나 Nb와 결합하여 질화물을 형성하여, 가열 시의 오스테나이트 입경의 미세화에 기여하는 원소이다. N 함유량이 0.0010％ 미만이면, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 그 때문에, N 함유량은 0.0010％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.0020％ 이상이다. 한편, N 함유량이 0.0080％를 초과하면, Ti나 Nb의 질화물이 조대화하고, 집적되어, 내HIC성이 저하된다. 그 때문에, N 함유량은 0.0080％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.0070％ 이하, 보다 바람직하게는 0.0060％ 이하이다.
본 실시 형태에 따른 강관의 모재부(본 실시 형태에 따른 강판)의 화학 조성은, 상기 원소 외에, ?칭성의 지표인 Ceq(후술함)를 조정하기 위하여, 또는 개재물의 형태를 제어하기 위해서, Fe의 일부 대신에, Cr, Mo, Ni, Cu, V, Mg, REM으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 후술하는 범위에서 포함해도 된다. 이들의 원소는 임의 원소이고, 함유하지 않아도 된다. 즉, 이들의 원소의 함유량의 하한은, 0％이다.
Cr: 0 내지 1.00％
Ni: 0 내지 1.00％
Cu: 0 내지 1.00％
Cr, Ni, Cu는 강의 ?칭성을 높이는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, Cr 함유량, Ni 함유량, Cu 함유량의, 각각을 0.10％ 이상, 단독으로 또는 복합으로 함유시키는 것이 바람직하다. 한편, Cr 함유량, Ni 함유량, Cu 함유량이, 각각 1.00％를 초과하면, 경도가 상승하여 내사워성이 저하된다. 그 때문에, 함유시키는 경우에도, Cr 함유량, Ni 함유량, Cu 함유량 모두, 1.00％ 이하로 한다. 바람직하게는, Cr: 0.70％ 이하, Ni: 0.80％ 이하, Cu: 0.70％ 이하이다.
Mo: 0 내지 0.50％
Mo도, 강의 ?칭성을 높이는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, Mo 함유량을 0.03％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Mo 함유량이 0.50％를 초과하면, 경도가 상승하여 내사워성이 저하된다. 그 때문에, 함유시키는 경우에도, Mo 함유량은 0.50％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.35％ 이하이다.
V: 0 내지 0.10％
V도, 강의 ?칭성을 높이고, 용접 열 영향부의 연화를 억제하는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, V 함유량을 0.005％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, V 함유량이 0.10％를 초과하면, 경도가 상승하여 내사워성이 저하된다. 그 때문에, 함유시키는 경우에도, V 함유량은 0.10％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.06％ 이하이다.
Mg: 0 내지 0.0100％
REM: 0 내지 0.0100％
Mg나 REM은 황화물의 형태를 제어하고, 내HIC성의 향상에 기여하는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, Mg, REM 함유량을 각각 0.0010％ 이상, 단독으로 또는 복합으로 함유시키는 것이 바람직하다. 한편, Mg 함유량이나 REM 함유량이 0.0100％를 초과하면 황화물이 조대화하여, 내HIC 향상 효과를 얻지 못하게 된다. 그 때문에, 함유시키는 경우에도, Mg 함유량, REM 함유량은 각각, 0.0100％ 이하로 한다. 바람직하게는, 0.0050％ 이하이다.
본 실시 형태에 있어서, REM이란, 희토류 원소를 의미하고, 스칸듐 Sc 및 란타노이드의 16 원소의 총칭이고, REM 함유량은, 이들의 16 원소의 합계 함유량을 나타낸다.
본 실시 형태에 따른 강관의 모재부(본 실시 형태에 따른 강판)는, 상기의 필수 원소를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함한다. 또는, 상기의 필수 원소를 포함하고, 상기의 임의 원소의 1종 이상을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진다. 불순물이란, 강재를 공업적으로 제조할 때에, 광석 또는 스크랩 등과 같은 원료로부터, 또는 제조 공정의 다양한 환경으로부터 혼입되는 성분이며, 강의 특성에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
불순물 중, O, Si, Al, P, S, Sb, Sn, Co, As, Pb, Bi, H, W, Zr, Ta, B, Nd, Y, Hf 및 Re에 대해서는, 후술하는 범위로 제어하는 것이 바람직하다. 특히, O, Si, Al, P, S에 대해서는, 통상 혼입되는 원소이고, 이하의 범위로 제한할 필요가 있다.
O: 0.0050％ 이하
O는, 불가피하게 잔류하는 원소이다. O 함유량이 0.0050％를 초과하면, 산화물이 생성되어, 내HIC성이 저하된다. 그 때문에, O 함유량은 0.0050％ 이하로 한다. 인성을 확보하는 점에서, 0.0040％ 이하가 바람직하고, 0.0030％ 이하가 보다 바람직하다. O 함유량은 적은 쪽이 바람직하고, 0％여도 된다. 그러나, O를 0.0001％ 미만으로 저감하면, 제조 비용이 대폭으로 상승한다. 그 때문에, O 함유량을 0.0001％ 이상으로 해도 된다. 제조 비용의 점에서는, 0.0005％ 이상이 바람직하다.
Si: 0.50％ 이하
Si 함유량이 0.50％를 초과하면, 인성이 저하된다. 그 때문에, Si 함유량은 0.50％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.35％ 이하, 보다 바람직하게는 0.30％ 이하이다. Si 함유량은 0％여도 된다.
한편, Si는 강 원료로부터 및/또는 제강 과정에서 불가피하게 혼입되므로, 실용 강에 있어서, 0.01％가 Si 함유량의 실질적인 하한이다.
또한, Si는, 탈산을 위하여 첨가해도 되고, 이 경우, Si 함유량의 하한을0.10％로 해도 된다.
Al: 0.060％ 이하
Al 함유량이 0.060％를 초과하면, Al 산화물이 집적한 클러스터가 생성되어, 내HIC성이 저하된다. 그 때문에, Al 함유량은 0.060％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.050％ 이하, 보다 바람직하게는 0.035％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.030％ 이하이다. Al 함유량은 적은 쪽이 바람직하고, Al 함유량은 0％여도 된다.
한편, Al은 강 원료로부터, 및/또는 제강 과정에서 불가피하게 혼입되므로, 실용 강에 있어서, 0.001％가 Al 함유량의 실질적인 하한이다.
또한, Al은, 탈산을 위하여 첨가해도 되고, 이 경우, Al 함유량의 하한을 0.010％로 해도 된다.
P: 0.020％ 이하
P는, 불가피하게 혼입되어, 불순물로서 함유되는 원소이다. P 함유량이 0.020％를 초과하면, 내HIC성이나 인성이 저하된다. 그 때문에, P 함유량은 0.020％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.015％ 이하, 보다 바람직하게는 0.010％ 이하이다. P 함유량은 적은 쪽이 바람직하고, 하한은 0％를 포함한다. 그러나, P 함유량을 0.001％ 미만으로 저감하면, 제조 비용이 대폭으로 상승하므로, 실용 강에 있어서, 0.001％가 P 함유량의 실질적인 하한이다.
S: 0.003％ 이하
S는, 불가피하게 혼입되어, 불순물로서 함유되는 원소이다. 또한, S는, 열간 압연 시에 압연 방향으로 연신하는 MnS를 형성하여, 내HIC성을 저하시키는 원소이다. S 함유량이 0.003％를 초과하면, 내HIC성이 현저하게 저하된다. 그 때문에, S 함유량은 0.003％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.002％ 이하, 보다 바람직하게는 0.001％ 이하이다. S 함유량은 적은 쪽이 바람직하고, 하한은 0％를 포함한다. 그러나, S 함유량을 0.0001％ 미만으로 저감하면, 제조 비용이 대폭으로 상승하므로, 실용 강에 있어서, 0.0001％가 실질적인 하한이다.
Sb: 0.10％ 이하
Sn: 0.10％ 이하
Co: 0.10％ 이하
As: 0.10％ 이하
Pb: 0.005％ 이하
Bi: 0.005％ 이하
H: 0.0005％ 이하
B: 0.0003％ 이하
Sb, Sn, Co, As, Pb, Bi, H, B에 대해서는, 강 원료로부터 불가피하게 혼입되는 경우가 있지만, 상기의 범위라면, 본 실시 형태에 따른 강관의 특성을 손상시키지 않는다. 그 때문에, 이들의 원소에 대해서는, 상기의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
W, Zr, Ta, Nd, Y, Hf 및 Re: 합계 0.10％ 이하
이들의 원소는, 강 원료로부터 불가피하게 혼입되는 경우가 있지만, 상기의 범위라면, 본 실시 형태에 따른 강관의 특성을 손상시키지 않는다. 그 때문에, 이들의 원소의 함유량 합계를 0.10％ 이하로 제한한다.
본 실시 형태에 따른 강관의 모재부는, 각 원소의 함유량을 상술한 범위로 제어한 뒤에, 이하에 기재한 바와 같이, 성분의 함유량으로부터 산출되는 ESSP와 Ceq를 소정의 범위로 제어할 필요가 있다.
ESSP: 1.5 내지 3.0
본 실시 형태에 따른 강관에서는, 종래 강과 동등 이상의 내HIC성을 확보하기 위해서,
하기 식 (1)로 정의되는 ESSP를 1.5 내지 3.0으로 할 필요가 있다.
ESSP=[Ca]×(1-124×[O])/(1.25×[S]) …(1)
[Ca], [O], [S]: Ca, O, S의 질량％에 의한 함유량.
내HIC성을 확보하기 위해서는, 압연 방향으로 연신하는 MnS의 생성을 억제하는 것이 유효하다. 또한, 압연 방향으로 연신하는 MnS의 생성을 억제하기 위해서는, S 함유량을 저감하고 Ca를 첨가하여, CaS를 형성하여 S를 고정하는 것이 유효한 방법이다. 한편, Ca는, 산소 친화력이 S보다 강하므로, 필요량의 CaS를 형성하기 위해서는, O 함유량의 저감이 필요하다.
ESSP는, 산소와 결합한 Ca를 차감한 나머지의 Ca(유효 Ca)에 관한 지표이다. 구체적으로는, S와 원자량비로 결합하는 것을 전제로, S 함유량에 따라서 필요해지는 유효 Ca양이 존재하는지의 여부를 나타내는 지표이다.
ESSP가 1.5 미만이면, O 함유량 및 S 함유량에 대하여 Ca 함유량이 부족하여 MnS가 생성된다. 압연으로 연신한 MnS는, 내HIC성이 열화되는 원인으로 되므로, ESSP는 1.5 이상으로 한다. 바람직하게는 1.6 이상, 보다 바람직하게는 1.7 이상이다.
한편, Ca 함유량이 과잉이 되면, 클러스터상의 개재물이 다량으로 생성되어, MnS의 형태 제어가 저해되는 것이 염려된다. O 함유량, S 함유량을 적게 하면 클러스터상 개재물의 생성을 억제할 수 있지만, ESSP가 3.0을 초과하는 경우, O 함유량이나 S 함유량의 저감을 위한 제조 비용이 현저하게 상승한다. 그 때문에, ESSP는 3.0 이하로 한다. 바람직하게는 2.8 이하, 보다 바람직하게는 2.6 이하이다.
ESSP가 1.5 내지 3.0이면, 유효 Ca양이, MnS의 형태 제어를 위하여 최저한 필요한 양 이상으로, 또한, 클러스터상 개재물이 생성되지 않는 임계량 이하로 조정되므로, 우수한 내HIC성이 얻어진다.
Ceq: 0.20 내지 0.50
본 실시 형태에 따른 강관의 모재부에서는, 표면으로부터 1.0mm의 범위(표층부)에 있어서 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트의 1종 또는 2종 이상을 면적률의 합계로 80％ 이상 포함하는 금속 조직을 얻기 위해서, 강의 ?칭성을 적정하게 제어할 필요가 있다. 구체적으로는, 하기 식 (2)로 정의하는 Ceq(탄소 당량)를 0.20 내지 0.50으로 할 필요가 있다.
Ceq=[C]+[Mn]/6+([Cu]+[Ni])/15+([Cr]+[Mo]+[V])/5 …(2)
[C], [Mn], [Cu], [Ni], [Cr], [Mo], [V]: C, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, V의 질량％에서의 함유량이고, 함유되어 있지 않은 경우에는 0으로 한다.
Ceq가 0.20 미만이면, 조직에 페라이트나 펄라이트가 생성되고, 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트의 1종 또는 2종 이상의 합계가 80％ 이하로 된다. 이 경우, 강도가 저하되고, 내사워성이 저하된다. 그 때문에, Ceq는 0.20 이상으로 한다. 바람직하게는 0.25 이상이다.
한편, Ceq가 0.50을 초과하면, 모재부 및 용접부의 표면 경도가 과잉으로 높아지고, 내사워성이 저하된다. 그 때문에, Ceq는 0.50 이하로 한다. 바람직하게는 0.45 이하이다.
이어서, 본 실시 형태에 따른 강관의 모재부(본 실시 형태에 따른 강판)의 금속 조직에 대하여 설명한다.
표면으로부터 1.0mm의 범위(표층부)에 있어서, 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트의 1종 또는 2종 이상: 조직 분율(면적률)의 합계로 80％ 초과
본 실시 형태에 따른 강관에서는, 표층부의 최고 경도를 250Hv 이하로 억제하고, 필요한 강도와 우수한 내사워성을 확보하기 위해서, 표층부에 있어서, 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을, 면적률의 합계로 80％ 초과 포함할 필요가 있다. 이들의 조직의 면적률 합계가 80％ 이하이면, 충분한 강도 및 내사워성이 얻어지지 않는다.
바람직하게는, 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트의 1종 또는 2종 이상이, 면적률의 합계로 85％ 이상이다. 보다 바람직하게는, 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트의 1종 또는 2종 이상이, 면적률의 합계로 90％ 이상이다.
또한, 바람직하게는, 그래뉼러 베이나이트와 애시큘러 페라이트의 합계 면적률이 80％ 초과이다.
금속 조직에 있어서, 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트 이외의 조직(잔부)으로서, 폴리고날 페라이트 및 의사 펄라이트의 1종 또는 2종이 포함되는 경우가 있다. 이들의 조직이, 면적률로 20％ 이상 존재하면, 필요한 강도를 확보하기 어렵고, 또한, 내사워성이 저하되므로, 폴리고날 페라이트 및/또는 의사 펄라이트의 면적률은 20％ 미만으로 한다. 바람직하게는 15％ 이하, 보다 바람직하게는 10％ 이하이다.
각 조직의 면적률 측정은, 금속 조직을 주사 전자 현미경을 사용하여 예를 들어 1000배의 배율로 관찰함으로써 얻어진다. 표층부의 조직은, 강판의 표면으로부터 0.1mm, 0.2mm 및 0.5mm의 위치를 측정하고, 각각의 위치에서의 면적률을 평균함으로써 얻어진다.
본 실시 형태에 있어서, 폴리고날 페라이트는, 입자 내에 조대한 시멘타이트나 MA 등의 조대한 석출물을 포함하지 않는 괴상의 조직으로서 관찰되는 조직이다.
애시큘러 페라이트는, 구 오스테나이트 입계가 불명료하고, 입자 내는 바늘형 형상의 페라이트(탄화물도 오스테나이트·마르텐사이트 혼성물은 존재하지 않음)가 랜덤의 결정 방위에서 생성되고 있는 조직이다.
그래뉼러 베이나이트는, 애시큘러 페라이트와 베이나이트의 중간의 변태 온도에서 생성되고, 애시큘러 페라이트와 베이나이트의 중간의 조직적 특징을 갖는 조직이다. 구체적으로는, 부분적으로 구 오스테나이트 입계가 보이고, 입자 내에 거친 라스 조직이 존재하고, 라스 내, 라스 사이에 미세한 탄화물 및 오스테나이트·마르텐사이트 혼성물이 산재하여 하는 부분과, 구 오스테나이트 입계가 불명료하여 바늘 형상 또는 부정형의 페라이트 부분이 혼재하는 조직이다.
베이나이트는, 구 오스테나이트 입계가 명료하고, 입자 내는 미세한 라스 조직이 발달하고 있어, 라스 내, 라스 사이에 미세한 탄화물 및 오스테나이트·마르텐사이트 혼성물이 산재해 있는 조직이다. 단, 본 실시 형태에서는, 베이나이트는 최종적으로는 존재하지 않고, 그 후의 복열로 템퍼링된, 템퍼링 베이나이트가 존재한다.
템퍼링 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트는, 각각을 주사 전자 현미경의 관찰로는 구별할 수 없지만, 모두, 라스 형상을 하고 있고, 라스 내, 라스 경계에 탄화물이 분산하여 있는 조직이다.
도 3a, 도 3b에, 본 실시 형태에 따른 강관의 모재부인 강판의 표면으로부터 0.5mm 아래의 금속 조직(주사 전자 현미경으로 촬상)을 나타낸다. 도 3a 중의 원으로 둘러싸인 부분의 조직이 그래뉼러 베이나이트이다. 또한, 도 3b는, 주로 애시큘러 페라이트를 포함하는 조직이다.
본 실시 형태에 따른 강관에 있어서, 표층부 이외의 조직에 대해서는 규정되지 않는다. 그러나, 후술하는 제조 방법에 의해 표층부의 조직을 상기와 같이 제어하는 경우, 표층부 이외의 조직, 예를 들어 1/2t부(두께 중심부)의 조직은, 애시큘러 페라이트 및 그래뉼러 베이나이트가 주체의 조직으로 된다.
표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 범위(표층부)의 최고 경도 Hvmax: 250Hv 이하
SSC는, 강판 표면의 미소 흠집이나 미소 균열에 기인하여 발생한다. 그 때문에, 강판 및 강판으로 제조되는 강관에서는, 미소 흠집이나 미소 균열의 발생원이 되는 표층부의 금속 조직 및 경도가 중요하다. 특히, 표면으로부터 깊이 1.0mm의 위치뿐만 아니라, 표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 범위 전체에 있어서의 최고 경도를 제어하는 것이 중요하다.
본 실시 형태에 따른 강관에서는, 내HIC성 및 우수한 내SSC성을 확보하기 위해서, 표층부의 금속 조직을, 전술한 바와 같이 제어한 뒤에, 표층부의 최고 경도를 250Hv 이하로 한다. 상기 표층부의 최고 경도는, 바람직하게는 248Hv 이하, 보다 바람직하게는 240Hv 이하이다.
강판 표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 표층부의 최고 경도의 측정은, 다음과 같이 행한다.
먼저, 강판의 폭 방향의 단부(강관의 경우에는, 맞댐부에 상당)로부터 강판의 폭 방향으로 1/4, 1/2 및 3/4의 위치(강관에서 말하면, 용접부를 0시로 한 경우의, 각각 3시, 6시 및 9시의 위치)로부터 한변이 300mm인 정사각형(300mm×300mm)의 강판을 가스 절단으로 잘라내고, 잘라낸 강판의 중심으로부터, 길이 20mm, 폭 20mm의 블록 시험편을 기계 절단에 의해 채취하고, 기계 연마에서 연마한다. 1개의 블록 시험편에 대해서, 비커스 경도계(하중: 100g)로, 표면으로부터 0.1mm를 시점으로 하여, 판 두께 방향으로 0.1mm 간격으로 10점, 동일 깊이에 대하여 폭 방향 1.0mm 간격으로 10점, 합계 100점 측정한다. 즉, 3개의 블록 시험편으로 합계 300점 측정한다.
상기 측정의 결과, 250Hv를 초과하는 측정점이 판 두께 방향으로 2점 이상 연속하여 나타나지 않으면, 표층부의 최고 경도는 Hv250 이하라고 판단한다.
본 실시 형태에 따른 강관의 모재에서는, 판 두께 방향으로 연속해서 2점 이상 250Hv를 초과하는 측정점이 존재하는 경우, 내SSC성이 저하되므로 허용되지 않는다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 250Hv를 초과하는 측정점이 1점 존재해도, 판 두께 방향으로 2점 이상 연속하여 나타나지 않으면, 그 점은 이상 점이라고 하여 채용하지 않고, 다음으로 높은 값을 최고 경도로 한다. 한편, 판 두께 방향으로 연속해서 2점 이상 250Hv를 초과하는 측정점이 존재하는 경우에는, 그 값도 채용하여, 가장 높은 값을 최고 경도로 한다.
또한, 본 발명자 등은, 보다 엄격한 환경 하에서의 내SSC성에 대하여 검토를 행하였다. 그 결과, 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트, 및/또는, 템퍼링 마르텐사이트를 주체로 하는 금속 조직을 전제로 하면, pH가 하기 식 (4)를 만족시키는 환경 하에서의 황화물 응력 균열(SSC)의 발생 유무가, 도 4에 도시한 바와 같이 최고 경도와 황화수소 분압으로 정리할 수 있는 것을 알 수 있었다.
pH≤-0.8×PH2S+5.4 …(4)
PH2S: 황화수소 분압(MPa)
구체적으로는, 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트, 및/또는, 템퍼링 마르텐사이트를 주체로 하는 금속 조직으로 한 뒤에, 강판의 표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 표층부의 최고 경도와 황화수소 분압의 관계가 하기 식 (3)을 만족시키면, 내SSC성이 향상되고, 식 (4)를 만족시키는 엄격한 환경 하에서도 SSC가 발생하지 않는 것을 알 수 있었다.
Hvmax≤-5×log(PH2S)+245 …(3)
PH2S: 황화수소 분압(MPa)
log: 상용 대수
표층부의 최고 경도 Hvmax가 상기 식 (3)의 우변(한계 경도)을 초과하면, 내SSC성 및 내HIC성이 저하된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 표층부의 최고 경도가 240Hv 이하이면, 황화수소 분압이 10MPa인 경우에도 SSC에 의한 균열이 발생하지 않으므로 바람직하다.
한편, pH와 PH2S가 상기 식 (4)를 만족시키지 않는 환경 하이면, 표층부의 최고 경도를 250Hv 이하로 하면 된다.
본 실시 형태에 따른 강관에 있어서, 표면으로부터 판 두께의 1/2의 위치인 1/2t부(t: 판 두께)의 최고 경도에 대해서는 규정하지 않아도 되지만, 1/2t부 부근을 1.0mm 피치로 길이 방향으로 10점 이상 측정했을 때의 최고 경도가 250Hv 이하이면, 내HIC성을 보다 높일 수 있으므로 바람직하다.
본 실시 형태에 따른 강관의 모재부(본 실시 형태에 따른 강판)는, 30℃ 이하의 5％의 식염 및 아세트산을 포함하는 H2S 포화 용액 환경에서, 항복 강도의 90％ 이상의 응력을 부하해도, 황화물 응력 균열이 발생하지 않는다. 즉, 상기 용액 환경에서 파단하는 응력이 항복 강도의 90％ 이상이다.
이어서, 본 실시 형태에 따른 강관의 기계 특성에 대하여 설명한다.
항복 강도: 350MPa 이상
본 실시 형태에 따른 강관의 모재부의 항복 강도는, 본 실시 형태에 따른 강관에 있어서 필요한 강도를 확보하기 위해서, 350MPa 이상인 것을 목표로 한다. 바람직하게는, 400MPa 이상이다. 항복 강도의 상한은, 특별히 한정하지 않지만, 내사워성, 가공성의 점에서, API5L의 X70에 규정되는 630MPa가 실질적인 상한이다. 내사워성, 가공성의 점에서는, 600MPa 이하가 바람직하다.
항복비: 85％ 이상
본 실시 형태에 따른 강관의 항복비는, 85％ 이상이다. 항복비가 아주 낮아지면, 구해지는 항복 강도에 대한 인장 강도가 너무 높아지므로, 항복비를 85％ 이상으로 한다.
항복 강도, 항복비는, API 전체 두께 인장 시험편을 강관의 길이 방향으로 직각(C 방향)으로 채취하고, 편평 후, 인장 시험을 행함으로써 얻어진다.
판 두께: 10 내지 40mm
관경: 508mm(20인치) 이상
석유, 천연가스 등의 굴삭용 강관 또는 수송용 강관으로 하는 경우, 판 두께는 10 내지 40mm, 관경은 508mm 이상인 것이 바람직하다. 관경은, 후판 밀이나 UO 밀 등의 설비 제약을 고려하여, 56인치(1422.4mm) 이하가 바람직하다.
본 실시 형태에 따른 강관은, 본 실시 형태에 따른 강판을 통 형상으로 가공하고, 통 형상 강판의 양단부를 맞대어, 용접함으로써 얻어진다. 그 때문에, 도 5에 도시한 바와 같이, 강판의 맞댐부에, 강판의 길이 방향으로 연장되는 용접부를 갖는다. 용접부는, 통상, 강판의 길이 방향 단부로부터 다른 한쪽의 단부까지 연속적으로 마련된다.
일반적으로, 강관 용접에 있어서, 용접부는 모재부보다도 두께가 커지도록 시공된다. 또한, 용접 금속은 모재보다도 고합금이고, 내식성도 높다. 그 때문에, 용접부가 SSC의 기점이 되는 것은 거의 없다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 강관의 용접부는, SAW 용접 등으로, 통상의 조건에서 얻어진 것이면, 특별히 한정되지 않는다.
이어서, 본 실시 형태에 따른 강관, 및 그 소재로 되는 본 실시 형태에 따른 강판의 바람직한 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에 따른 강관은, 제조 방법에 구애되지 않고, 상술한 구성을 갖고 있으면, 그 효과가 얻어지지만, 예를 들어 이하와 같은 제조 방법에 의하면, 안정되게 얻어지므로 바람직하다.
본 실시 형태에 따른 강판은,
(I) 소정의 화학 조성을 갖는 강편을 1000 내지 1250℃로 가열하여 열간 압연에 제공하고, Ar3점 이상에서 열간 압연을 종료하고(열간 압연 공정),
(II) 열간 압연 공정 후의 강판을, Ar3점 이상으로부터, 수랭 정지 온도가 500℃ 이하, 또한, 수랭을 정지한 후에 복열에 의한 최고 도달 온도가 500℃를 초과하도록 하는 수랭과, 그 후, 복열에 의한 최고 도달 온도로부터 수랭 정지 온도가 500℃ 이하, 또한, 수랭을 정지한 후에 복열에 의한 최고 도달 온도가 500℃를 초과하도록 하는 수랭을 합계로 3회 이상 행하는 다단의 가속 냉각(제1 냉각 공정)을 행하고,
(III) 제1 냉각 공정 후, 평균 냉각 속도가, 200℃/hr 이상으로, 500℃ 이하까지 냉각하는(제2 냉각 공정)
공정을 포함하는 제조 방법에 의해 얻어진다.
본 실시 형태에 따른 강관은, 또한,
(IV) 제2 냉각 공정 후의 강판을, 통 형상으로 성형하고(성형 공정),
(V) 통 형상 강판의 양단부를 맞대서 용접함(용접 공정)
으로써 얻어진다.
각 공정에 대해서, 바람직한 조건을 설명한다.
(열간 압연 공정)
본 실시 형태에 따른 강관의 모재와 같은 화학 조성을 갖는 용강을 주조하여 제조한 강편을, 1000 내지 1250℃로 가열하여 열간 압연에 제공한다. 열간 압연에 앞서는 용강의 주조 및 강편의 제조는 통상법에 따라서 행하면 된다.
강편의 압연 시에, 가열 온도가 1000℃ 미만이면, 변형 저항이 감소하지 않고, 압연기의 부하가 증대하므로, 가열 온도는 1000℃ 이상으로 한다. 바람직하게는 1100℃ 이상이다. 한편, 가열 온도가 1250℃를 초과하면, 강편의 결정립이 조대화하여, 강도와 인성이 저하되므로, 가열 온도는 1250℃ 이하로 한다.
가열된 강편을, Ar3점 이상의 온도역에서 열간 압연하여 강판으로 하고, Ar3점 이상에서 열간 압연을 종료한다. 열간 압연 마무리 온도가 Ar3점 미만이면, 강판 조직 중에 가공 페라이트가 생성되어 강도가 저하된다. 그 때문에, 열간 압연 마무리 온도는 Ar3점 이상으로 한다.
(제1 냉각 공정)
Ar3점 이상에서 열간 압연을 종료한 강판에 대하여, Ar3점 이상의 온도에서 가속 냉각을 개시한다. 냉각은, 표면 온도에서, 처음에는, Ar3점 이상의 온도로부터 수랭 정지 온도가 500℃ 이하, 또한, 수랭을 정지한 후에 복열에 의한 최고 도달 온도가 500℃를 초과하도록 하는 수랭을 행하고, 그 후, 복열에 의한 최고 도달 온도로부터 수랭 정지 온도가 500℃ 이하, 또한, 수랭을 정지한 후에 복열에 의한 최고 도달 온도가 500℃를 초과하도록 하는 수랭을 행한다. 제1 냉각 공정에서는, 상술한 바와 같은 복열에 의한 최고 도달 온도가 500℃를 초과하도록 하는 수랭을 합계로 3회 이상 행하는 다단의 가속 냉각을 행한다.
복열에 의한 최고 도달 온도가 500℃를 초과하도록 하기 위해서는, 표면과 내부의 온도 차를 크게 하는 것이 중요하다. 표면과 내부의 온도 차는, 수랭에 있어서의 수량 밀도나 충돌압 등을 변경함으로써, 조정할 수 있다.
도 1은, 열간 압연 종료 후, 수랭 정지 후의 복열에 의한 최고 도달 온도가 500℃를 초과하도록 하는 수랭을 연속해서 3회 행한 경우의 다단 가속 냉각의 일 형태를 모식적으로 도시한 도면이다.
복열에 의한 최고 도달 온도가 500℃ 이하이면, 강판의 경도, 특히 표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 표층부의 최고 경도를 250Hv 이하로 할 수 없다. 또한, 500℃를 초과하는 복열 횟수가 3회 미만이라도, 표층부의 최고 경도를 250Hv 이하로 할 수 없다. 그 때문에, 최고 도달 온도가 500℃를 초과하는 온도로 되는 복열이 3회 이상으로 되도록 가속 냉각을 행한다.
다단 냉각에 있어서의 각 수랭의 냉각 정지 온도는 경질상인 마르텐사이트를 생성시키지 않도록, Ms점을 초과하는 온도로 하는 것이 바람직하다.
또한, 복열 전의 수랭 정지 온도가 500℃를 초과하면, 소정의 조직을 얻을 수 없으므로, 수랭 정지 온도를 500℃ 이하로 한다.
도 2a 내지 도 2c에, 복열 후의 강판의 표층부의 경도 분포의 일례를 도시한다. 도 2a에, 상술한 조건을 만족시키는 복열의 횟수가 1회인 경우의 경도 분포를 나타내고, 도 2b에, 복열 횟수 2회인 경우의 경도 분포를 나타내고, 도 2c에, 복열 횟수 3회의 경우의 경도 분포를 나타낸다. 도면 중, Max.는, 강판의 표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 표층부의 최고 경도 Hvmax이고, Ave.는, 강판의 표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 표층부의 평균 경도이다.
도 2c에 도시하는 바와 같이, 복열을 3회 행함으로써, 강판의 표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 표층부의 최고 경도 Hvmax는 250Hv 이하로 저하한다. 복열 횟수는, 상기 표층부의 최고 경도 Hvmax가 250Hv 이하에 도달할 때까지의 횟수이므로, 복열 횟수의 상한을 규정할 필요는 없다.
복열 횟수를 3회 초과로 함으로써, 최고 경도를 보다 낮게, 예를 들어 안정되게 240Hv 이하로 할 수 있다.
(제2 냉각 공정)
제1 냉각 후(3회 이상의 수랭 및 복열 완료 후), 평균 냉각 속도가 200℃/hr 이상에서 500℃ 이하까지 냉각한다(제2 냉각).
500℃ 이하까지의 평균 냉각 속도가 200℃/hr 미만이면, 소정의 조직을 얻을 수 없다.
(성형 공정)
(용접 공정)
본 실시 형태에 따른 강판을, 통 형상으로 성형하고, 통 형상으로 성형한 강판의 양단부를 맞대서 용접함으로써, 본 실시 형태에 따른 강관을 형성한다.
본 실시 형태에 따른 강판의 강관으로의 성형은, 특정한 성형 방법에 한정되지 않는다. 예를 들어, 온간 가공도 사용할 수 있지만, 치수 정밀도의 점에서는 냉간 가공이 바람직하다.
용접도, 특정한 용접에 한정되지 않지만, 서브머지드 아크 용접(SAW)이 바람직하다. 본 실시 형태에 따른 강관의 용접부는, 최고 경도가 상술한 범위라면, 용접 조건 등은 한정되지 않는다. 그러나, 본 실시 형태에 따른 강판을 소재로서 사용하는 경우, SAW 용접 등에서, 3전극 또는 4전극으로, 판 두께에 따라서 입열이 2.0kJ/mm로부터 10kJ/mm의 조건 범위에서 용접함으로써, 최고 경도가 250Hv 이하가 되므로 바람직하다.
본 실시 형태에 따른 강관의 제조 방법에서는, 용접부에 내사워성에 유해한 조직(면적률로 20％를 초과하는 폴리고날 페라이트나 의사 펄라이트 등)이 생성되지 않도록, 용접부를 Ac1점 이하로 가열하여 템퍼링 심 열처리를 행해도 된다.
본 실시 형태에 따른 강관의 모재부에는 열처리를 실시하지 않으므로, 모재부의 금속 조직은, 본 실시 형태에 따른 강판의 금속 조직과 동일하다. 본 실시 형태에 따른 강관은, 모재부, 용접부도, 종래 강과 동등 이상의 내HIC성에 더하여, 우수한 내SSC성을 구비한다.
실시예
이어서, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다. 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위하여 채용한 일 조건예이고, 본 발명은 이 일 조건예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있다.
(실시예 1)
표 1-1, 1-2에 나타내는 성분 조성을 갖는 용강을 연속 주조하여, 240mm 두께의 강 슬래브를 제조하였다. 이 슬래브를 사용하여, 표 2-1, 2-2에 나타내는 제조 조건에서, 표 3-1 내지 3-4에 나타내는 강판을 제조하였다. 표 2-1 중, 제1 냉각의 수랭 정지 온도의 란에 있어서, OK란, 수랭 정지 온도가 다단 가속 냉각의 각 수랭 후에 모두 500℃ 이하였던 예를 나타내고, NG는, 냉각 정지 온도가 500℃ 초과한 경우가 있는 예를 나타낸다.
또한, 제1 냉각에 있어서, 냉각 속도에 대해서는, 1회째의 냉각 속도만을 기재하고 있지만, 2회째 이후도 동등한 냉각 속도였다.
No.1 내지 22, 54 내지 56이 발명 강판이고, No.23 내지 53이 비교 강판이다.
[표 1-1]
Figure pct00001
[표 1-2]
Figure pct00002
[표 2-1]
Figure pct00003
[표 2-2]
Figure pct00004
얻어진 강판으로부터 API5L 전체 두께 인장 시험편을 채취하고, API5L에 준하여 인장 강도를 측정하였다.
또한, 표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 표층부의 경도를 측정함과 함께, 표층부의 금속 조직을 주사 전자 현미경으로 관찰하였다.
또한, 참고로서, 1/2t부의 최고 경도의 측정에 대해서도 실시하였다.
(표층부의 최고 경도)
강판의 폭 방향의 단부(강관의 경우에는, 맞댐부에 상당)을 기점으로 하여 강판의 폭 방향으로 1/4, 1/2 및 3/4의 위치로부터 한변이 300mm인 정사각형의 강판을 가스 절단으로 잘라내고, 잘라낸 강판의 중심으로부터, 길이 20mm, 폭 20mm의 블록 시험편을 기계 절단에 의해 채취하여, 기계 연마로 연마하였다. 이들의 블록 시험편에 대해서, 각각 비커스 경도계(하중 100g)로, 강판 표면으로부터 0.1mm 깊이의 위치를 시점으로 하여, 판 두께 방향으로 0.1mm 간격으로 10점, 동일 깊이에 대하여 폭 방향 1.0mm 간격으로 10점, 합계 100점, 3개의 시험편으로 합계 300점을 측정하고, 최고 경도를 얻었다.
이때, 250Hv를 초과하는 측정점이 1점 존재해도, 판 두께 방향으로 2점 이상 연속하여 나타나지 않으면, 그 점은 이상 점이라고 하여, 채용하지 않고, 다음으로 높은 값을 최고 경도로 하였다. 한편, 판 두께 방향으로 2점 이상 250Hv를 초과하는 측정점이 연속하여 존재하는 경우에는, 가장 높은 값을 최고 경도로 하였다.
(조직 관찰)
표층부의 금속 조직은, 연마한 시험편을, 3％ 질산과 97％ 에탄올의 혼합 용액에 수초에서 수십초 침지해서 에칭하여, 금속 조직을 현출시켜서, 표면으로부터 0.1mm, 0.2mm, 0.5mm의 위치를 주사 전자 현미경을 사용해서 1000배의 배율로 관찰하였다. 각 조직의 면적률은 이들의 시야의 평균으로 하였다.
표 3에 결과를 나타낸다. 표 3의 잔부 조직의 면적률이란, 「그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트」 이외의 조직의 면적률이다.
표면으로부터 5mm의 위치의 금속 조직도 마찬가지로 관찰하였다.
(1/2t부(두께 중심부)의 최고 경도)
1/2t부 부근을 1.0mm 피치로 길이 방향으로 10점 측정하여, 최고 경도를 구하였다.
[표 3-1]
Figure pct00005
[표 3-2]
Figure pct00006
[표 3-3]
Figure pct00007
[표 3-4]
Figure pct00008
표 3에 나타낸 바와 같이, 발명예인 시험 No.1 내지 22, 54 내지 56에 있어서는, 표층부(표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 표층)가 소정의 금속 조직을 갖고, 최고 경도가 250Hv 이하였다.
(실시예 2)
표 3에 나타내는 강판을 원통상으로 냉간 가공하고, 원통상의 강판의 양단부를 맞대고, 3전극 또는 4전극에서 판 두께에 따라서 입열이 2.0kJ/mm로부터 10kJ/mm의 범위의 조건에서, 사브마지드 아크 용접(SAW)하여 강관을 제조하였다. 일부의 강관의 용접부에는, 400℃ 내지 Ac1점에 가열하는 열처리를 실시하였다.
얻어진 강관으로부터 API5L에 준하여 전체 두께 인장 시험편을 둘레 방향으로 채취하고, 편평 후, 항복 강도 및 인장 강도를 측정하였다.
또한, 내SSC성의 평가로서, 4점 굽힘 시험편을 채취하고, NACE TM 0177에 준거하여, 표 4에 나타내는 여러가지 황화수소 분압, pH3.5의 용액 환경에서의 90％ 실제 항복 응력 하에서의 4점 굽힘 시험을 행하여, 균열의 발생 유무를 조사하였다. 균열이 발생하지 않는 경우에, 내SSC성이 우수하다고 판단하였다.
또한, 내HIC성의 평가로서, 길이 100mm×폭 20mm의 전체 두께 시험편을 채취하고, NACE TM 0284에 준거하여, 5％ 식염과 0.5％ 아세트산을 함유하는 용액에 0.1MPa의 황화수소를 포화시킨 조건에서, 96시간 침지시킨 후의 균열 면적률을 구하였다. 균열 면적률이 3％ 이하이면, 내HIC 성이 우수하다고 판단하였다.
실시예 1과 마찬가지로, 강판의 표층부, 두께 중심부(1/2t부)의 최고 경도 측정함과 함께, 표층부의 금속 조직을 광학 현미경으로 관찰하였다.
결과를 표 4에 나타내었다.
[표 4-1]
Figure pct00009
[표 4-2]
Figure pct00010
[표 4-3]
Figure pct00011
[표 4-4]
Figure pct00012
본 발명예의 강관(시험 No.1 내지 22, 54 내지 56)은 종래 강과 동등 이상의 내HIC성을 갖고, 또한 내사워성(내황화물 응력 균열성(내SSC성)이 우수한 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 항복 강도가 350MPa 이상으로, 충분한 내HIC성을 구비하고, 또한 0.1MPa를 초과하는 황화수소를 포함하는 30℃ 이하의 환경에서 항복 강도의 90％ 이상의 응력을 부하해도 균열되지 않는 강판과 강관을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명은 산업상 이용 가능성이 높다.
1: 강관
2: 강판(모재부)
3: 용접부

Claims (5)

  1. 통 형상의 강판으로 이루어지는 모재부와,
    상기 강판의 맞댐부에 마련되어, 상기 강판의 길이 방향으로 연장되는 용접부
    를 갖고,
    상기 강판은, 화학 조성으로서, 질량％로,
    C: 0.030 내지 0.080％,
    Mn: 0.80 내지 1.60％,
    Nb: 0.006 내지 0.100％,
    Ti: 0.001 내지 0.030％,
    Ca: 0.0005 내지 0.0050％,
    N: 0.0010 내지 0.0080％,
    Cr: 0 내지 1.00％,
    Mo: 0 내지 0.50％,
    Ni: 0 내지 1.00％,
    Cu: 0 내지 1.00％,
    V: 0 내지 0.10％,
    Mg: 0 내지 0.0100％,
    REM: 0 내지 0.0100％,
    를 포함하고,
    O: 0.0050％ 이하,
    Si: 0.50％ 이하,
    Al: 0.060％ 이하,
    P: 0.020％ 이하,
    S: 0.003％ 이하,
    로 제한하고,
    잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고,
    상기 강판은, 하기 식 (1)로 정의되는 ESSP: 1.5 내지 3.0, 또한, 하기 식 (2)로 정의되는 Ceq: 0.20 내지 0.50을 만족시키고,
    상기 모재부의 표면으로부터 깊이 1.0mm까지의 범위인 표층부의 금속 조직이, 그래뉼러 베이나이트, 애시큘러 페라이트, 템퍼링 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 면적률의 합계로 80％ 초과 포함하고,
    상기 모재부의 상기 표층부에 있어서의 최고 경도인 Hvmax가 250Hv 이하이고,
    항복비가 85％ 이상인
    것을 특징으로 하는 강관.
    ESSP=[Ca]×(1-124×[O])/(1.25×[S]) …(1)
    Ceq=[C]+[Mn]/6+([Cu]+[Ni])/15+([Cr]+[Mo]+[V])/5 …(2)
    여기서, 상기 식 (1) 및 상기 식 (2) 중의 [Ca], [O], [S], [C], [Mn], [Cu], [Ni], [Cr], [Mo], [V]는, 상기 강판 중의 각각 Ca, O, S, C, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, V의 질량％로서의 함유량을 나타낸다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 강판의, 상기 화학 조성이, 질량％로,
    Cr: 0.10 내지 1.00％,
    Mo: 0.03 내지 0.50％,
    Ni: 0.10 내지 1.00％,
    Cu: 0.10 내지 1.00％,
    V: 0.005 내지 0.10％,
    Mg: 0.0010 내지 0.0100％,
    REM: 0.0010 내지 0.0100％,
    로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는
    것을 특징으로 하는 강관.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Hvmax가 240Hv 이하인 것을 특징으로 하는 강관.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모재부의 판 두께가 10 내지 40mm이고,
    관경이 508mm 이상인
    것을 특징으로 하는 강관.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 강관의 상기 모재부에 사용되는 것을 특징으로 하는 강판.
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