JP2000319763A

JP2000319763A - ラインパイプ用高Ｃｒ鋼管

Info

Publication number: JP2000319763A
Application number: JP11123697A
Authority: JP
Inventors: Yukio Miyata; 由紀夫宮田; Mitsuo Kimura; 光男木村; Takaaki Toyooka; 高明豊岡
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2000-11-21

Abstract

(57)【要約】【課題】成分系の変更により母材およびＨＡＺの低
温靱性を一段と向上させたラインパイプ用高Cr鋼管を提
供する。【解決手段】Ｃ：0.02％以下、Si：0.5 ％以下、Mn：
0.2 〜3.0 ％、Ｐ：0.010 ％未満、Cr：10.0〜14.0％、
Ni：0.2 〜3.0 ％、Ｎ：0.02％以下、あるいはさらに、
Cu：1.0 ％以下、Ｖ：0.3 ％以下の１種または２種を含
有し、残部Feおよび不可避的不純物からなるラインパイ
プ用高Cr鋼管。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、石油・天然ガス輸
送用に用いて好適な低温靱性に優れるラインパイプ用高
Cr鋼管に関する。本発明において、組成に係る％は、特
にことわらない限りmass％を意味する。

【０００２】

【従来の技術】近年、石油・天然ガスは、掘削が容易な
ものは掘り尽くされ、腐食が厳しい、深度が深い、寒冷
地や海底といった掘削環境が厳しい坑井にも手をつけざ
るを得なくなっている。このような坑井から生産される
石油・天然ガスの中には、炭酸ガスを多量に含む場合が
多く、このような環境では、炭素鋼あるいは低合金鋼で
は著しく腐食されるので、従来、その防食手段としてイ
ンヒビタを添加することが行われてきた。しかし、イン
ヒビタの使用は、高コストとなることや、高温では効果
が不十分なことから、近年ではインヒビタを用いる必要
のない耐食材料を用いる傾向にある。このような耐食材
料として油井管では、Crを13％含有するマルテンサイト
系ステンレス鋼が広く用いられている。

【０００３】一方、ラインパイプでは、ＡＰＩ規格中に
Ｃ量を低減した12％Crマルテンサイト系ステンレス鋼が
規定されている。この鋼は、円周溶接に予熱、後熱が必
要であり高コストとなることや、溶接部の靱性に劣ると
いう欠点があることから、ラインパイプとして一般には
ほとんど採用されていない。このため、耐食性ラインパ
イプ用材料としては、溶接性と耐食性に優れているとの
理由で、Crを高めNi、Moを含有する二相ステンレス鋼が
用いられてきた。しかし、二相ステンレス鋼は坑井によ
っては過剰品質となり高コストとなるという問題があっ
た。

【０００４】この問題を解決すべく、特開平８−295939
号公報には、Ｃ、Ｎをそれぞれ0.03％以下、0.02％以下
に低減し、Cuを0.2 〜1.0 ％に調整した10〜14％Cr鋼を
造管後、特定条件で熱処理するというラインパイプ用高
Crマルテンサイト鋼管の製造方法が提案され、特に二相
域熱処理により靱性が向上することが開示されている。
これにより、炭酸ガス環境下での耐食性、溶接性、溶接
熱影響部（ＨＡＺ）靱性に優れた鋼管が得られるとして
いる。

【０００５】しかしながら、上記方法では主として熱処
理により靱性を改善しているので、低温靱性に自ずと限
界があり、より高い靱性要求に対しては対応しきれない
という問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記従来技
術の問題点に鑑み、成分系の変更により低温靱性を一段
と向上させたラインパイプ用高Cr鋼管を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記目的
達成に向けて鋭意検討した結果、従来材のシャルピー衝
撃試験後の破面は粒界破壊の様相を呈しており、粒界に
はＰが濃縮していることを確認した。このことから、従
来材で低温靱性が不十分なのは、粒界強度が低いためで
あり、粒界強度を低下させる原因は粒界でのＰ濃縮にあ
ると考えた。この考えに基づいて、高Cr鋼について低温
靱性におよぼすＰ含有量の影響を実験により調べた結
果、例えば図２に示すように、同じ強度レベルにおい
て、極低Ｐ化した高Cr鋼では、通常の焼入れ（Ｑ）−焼
戻し（Ｔ）処理でも、Ｐ量が通常レベルの従来材を焼入
れ（Ｑ）−二相域熱処理（Ｑ’）−焼戻し（Ｔ）処理し
た際に得られる靱性向上よりもはるかに大きい靱性向上
が得られることがわかった。なお、図２は、図中記載の
組成の鋼管素材を加熱し、φ273mm ×t 13mmの継目無鋼
管に造管したのち室温まで空冷し、Ｑ−Ｔ処理あるいは
Ｑ−Ｑ’−Ｔ処理したサンプルの引張試験およびシャル
ピー衝撃試験結果を整理して得た降伏強さ（ＹＳ）と-4
0 ℃での吸収エネルギー（ vＥ_-40）の関係を示したも
のである。

【０００８】本発明は、かかる知見に基づきさらに検討
を重ねて成されたものであり、その要旨とするところ
は、この知見に基づきさらに検討を重ねたなされた本発
明は、ラインパイプ用高Cr鋼管であって、その組成が、Ｃ：0.02％以下（0.015 ％以下）、 Si：0.5 ％以下（0.3 ％以下）、 Mn：0.2 〜3.0 ％（1.0 〜2.0 ％）、Ｐ：0.010 ％未満（0.005 ％未満）、 Cr：10.0〜14.0％、 Ni：0.2 〜3.0 ％（2.0 〜3.0 ％）、Ｎ：0.02％以下（0.015 ％以下）、残部Feおよび不可避的不純物であることを特徴とするラ
インパイプ用高Cr鋼管である。

【０００９】本発明では、前記組成に、Cu：1.0 ％以下
（0.2 〜1.0 ％）が付加されてもよい。また、本発明で
は、前記組成に、Ｖ：0.3 ％以下（0.03〜0.15％）が付
加されてもよい。なお、（）内はさらなる好適範囲を示
す。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明鋼管の組成限定理由を以下
に述べる。Ｃ：0.02％以下Ｃは、ＨＡＺの硬さ低減、靱性向上、耐溶接割れ性の向
上、炭酸ガスおよび塩化物を含む環境下での耐全面腐食
性、耐孔食性の向上などの点からできるだけ低減するこ
とが望ましい。とくに、予熱なしでの溶接を可能とする
には、Ｃ量は0.02％以下とすることが必要であり、その
ためＣ量の上限を0.02％とした。なお、より良好な溶接
性確保の点から0.015 ％以下が好ましい。

【００１１】Si：0.5 ％以下 Siは、脱酸剤として添加されるが、フェライト生成元素
であるので、多量に含有するとフェライトが生成しやす
くなり、母材およびＨＡＺの靱性を劣化させる。また、
フェライトが存在すると熱間加工性が低下し製造に支障
をきたすおそれがある。このためSi量は0.5 ％以下に限
定した。好ましくは0.3 ％以下である。

【００１２】Mn：0.2 〜3.0 ％ Mnは、脱酸剤として作用し、さらに強度を増加させる元
素である。さらにオーステナイト生成元素であるためフ
ェライト生成を抑制し、母材およびＨＡＺの靱性を向上
させる働きもある。このような効果を得るためには、0.
2 ％以上必要であるが、3.0 ％を超えて添加しても効果
は飽和するため、Mn量は0.2 〜3.0 ％に限定する。好ま
しくは1.0 〜2.0 ％である。

【００１３】Ｐ：0.010 ％未満Ｐは、本発明におけるようなＹＳ600MPa程度以上の強度
レベルの高Cr鋼の靱性に大きく影響する。例えば図１に
示すように、ＹＳ600MPa程度の強度レベルの高Cr鋼（Ｑ
−Ｔ材）で、Ｐ量を0.010 ％以上から0.010 ％未満へと
低減することにより、 vＥ_-40が100J程度から200 〜25
0J程度へと飛躍的に向上する。また、粒界でのＰ濃縮量
は、Ｐ量が0.010 ％以上から0.010 ％未満へ変化するに
伴い階段状に低減する。このため、本発明では、Ｐを0.
010 ％未満に限定した。なお、図２より、Ｐを0.005 ％
未満まで低減すれば vＥ_-40がさらに一段と向上して30
0J程度に達する。このことから、Ｐは0.005 ％未満とす
るのがより好ましい。

【００１４】Cr：10.0〜14.0％ Crは、マルテンサイト組織を確保し、かつ炭酸ガスを含
む腐食環境における耐全面腐食性および耐孔食性を高め
るために必要な基本元素である。これらの効果を得るた
めには10.0％以上の添加が必要である。また、14.0％を
超えて含有するとフェライトの生成が容易となり、マル
テンサイト組織の安定確保または熱間加工性の低下防止
のために多量のオーステナイト生成元素の添加が必要と
なり、コスト高となる。よってCr量は10.0〜14.0％とす
る。

【００１５】Ni：0.2 〜3.0 ％ Niは、オーステナイト生成元素であり、フェライトの生
成を抑制し、母材およびＨＡＺの靱性を向上させ、熱間
加工性の低下を抑制する働きがある。また、炭酸ガスを
含む腐食環境における耐全面腐食性および耐孔食性を向
上させる。この効果は0.2 ％以上の添加で顕現する。し
かし、3.0 ％を超える添加は靱性や熱間加工性、耐食性
の向上の効果が飽和し、いたずらにコスト高を招く結果
となって不利である。このためNi量は0.2 〜3.0 ％とす
る。なお、より安定した特性を得るためには、2.0 〜3.
0 ％が好ましい。

【００１６】Ｎ：0.02％以下Ｎは、Ｃと同様、溶接割れの回避、ＨＡＺの靱性向上、
およびＨＡＺの硬さ低減のためにできるだけ低減するこ
とが望ましく、0.02％を超えるとこれらの効果が十分得
られないため、0.02％以下に限定した。なお、好ましく
は0.015 ％以下である。

【００１７】Cu：1.0 ％以下 Cuは、Ni、Mn同様、オーステナイト生成元素であり、フ
ェライトの生成を抑制し、ＨＡＺの靱性向上、耐全面腐
食性向上に効果があり、また、熱間加工性の低下を抑制
する効果、ならびに炭酸ガスおよび塩化物を含有する環
境で不働態皮膜を安定化させ耐孔食性の向上させる効果
があるので、適宜添加してよいが、1.0％を超えると一
部が固溶せず析出するようになり、ＨＡＺの靱性に悪影
響を及ぼすので、Cu量は1.0 ％以下とするのがよい。な
お、前記種々の効果の面で好ましい範囲は0.2 〜1.0 ％
である。

【００１８】Ｖ：0.3 ％以下Ｖは、高温強度の改善に有用な元素で、適宜添加してよ
いが、0.3 ％を超える添加では靱性の劣化を伴う強度上
昇をもたらすため、Ｖ量は0.3 ％以下の範囲に止めるの
がよい。なお高温強度改善の面から、0.03〜0.15％が好
ましい。その他元素は、不可避的に含有するが、母材靱
性確保の面からできるだけ低減するのが望ましい。な
お、Ｓ、Ｏについてはともに0.01％までは許容できる。

【００１９】次に、本発明鋼管の好ましい製造プロセス
について説明する。上記組成になる鋼を転炉あるいは電
気炉で溶製し、連続鋳造法あるいは造塊法により凝固さ
せて鋼管素材とする。その過程で溶鋼の取鍋精錬、真空
脱ガス等は必要に応じて実施する。前記鋼管素材をＡc₃
点以上に加熱し、プラグミル方式、マンドレルミル方式
等の熱間圧延により継目無鋼管とし、あるいはさらにサ
イザ、ストレッチレデューサにより熱間のまま所望の寸
法の鋼管に造管する。

【００２０】造管後は、所望の強度−靱性バランスを得
るために熱処理を行う。この熱処理は、焼入れ−焼戻し
（Ｑ−Ｔ）、焼入れ−二相域熱処理−焼戻し（Ｑ−Ｑ’
−Ｔ）、焼入れ−二相域熱処理（Ｑ−Ｑ’）、二相域熱
処理−焼戻し（Ｑ’−Ｔ）の中から目標の機械的性質に
適合するものを採用すればよい。焼入れ（Ｑ）は、造管
後の熱間状態から直ちにＭs 点以下（200 ℃程度以下）
まで冷却する直接焼入れ（ＤＱ）、造管後γ域に再加熱
後Ｍs 点以下（200 ℃程度以下）まで冷却する再加熱焼
入れ（ＲＱ）のいずれで行ってもよい。また、ＤＱ後に
ＲＱを行ってもよい。本発明に係る組成では、Ｑを通常
の空冷で行ってもマルテンサイト組織が得られるが、衝
風冷却、水冷等により空冷よりも速く冷却する方が、変
態開始までのオーステナイト粒の成長を抑制することが
でき、変態後の組織が微細化し靱性が向上する。

【００２１】二相域熱処理（Ｑ’）は、Ａc₁点〜（Ａc₁
点＋50℃）の温度域に加熱する熱処理をいう。Ａc₁点以
上の加熱により、マルテンサイトとオーステナイトの微
細な二相組織となる。Ｃ、Ｎは、マルテンサイト相中溶
解度がオーステナイト相中溶解度よりも低いため、マル
テンサイト相からオーステナイト相へ拡散、濃縮する。
したがって、Ｑ’中は、Ｃ、Ｎが濃縮したオーステナイ
ト相とＣ、Ｎが希釈された焼戻しマルテンサイト相が形
成され、Ｑ’後の焼戻し（Ｔ）により、炭窒化物を多量
に含む焼戻しマルテンサイト相と、炭窒化物の非常に少
ない粒界強度の非常に高い焼戻しマルテンサイト相が形
成され、この粒界強度の高い焼戻しマルテンサイト相の
形成により、高靱性を有する鋼管となる。

【００２２】しかし、Ｑ’温度が（Ａc₁点＋50℃）を超
えると、最終的に粒界強度の高い焼戻しマルテンサイト
相になりゆくＣ、Ｎが希釈された焼戻しマルテンサイト
相の比率が下がり、靱性向上効果が減少する。また、粒
が粗大化することも靱性の低下につながる。Ｑ’の保持
時間は10〜60min とするのが好ましい。保持後の冷却は
空冷以上の冷却速度で行うのがよい。

【００２３】焼戻し（Ｔ）は、Ａc₁点未満（好ましくは
550 ℃以上）で行う。この温度に加熱保持後空冷以上の
冷却速度で冷却する。これにより炭窒化物の少ない粒界
強度の高い焼戻しマルテンサイト相を含んだ組織となる
ため、高靱性を有する鋼管となる。Ｔの保持時間は10〜
60min とするのが好ましい。

【００２４】

【実施例】表１に示す組成になる鋼を転炉で溶製し、真
空脱ガス処理を行い、連続鋳造法により凝固させて得た
鋳片をビレット圧延して鋼管素材とした。これら鋼管素
材をマンネスマン−プラグミル方式の製造設備によりφ
273mm ×t 13mmの継目無鋼管に造管し、造管疵の発生状
況を調査するとともに、造管後の鋼管を表１に示す条件
で熱処理し、ＹＳを600MPa前後に調整した鋼管母材から
試験片を採取し、引張特性、低温靱性、耐食性（耐孔食
性）を調査した。また、鋼管母材を用い、二相ステンレ
ス鋼を溶接材料としたＴＩＧ溶接（電圧15V 、電流200
A、溶接速度10cm/min、入熱18kJ/cm ）にて鋼管継手を
作製し、ＨＡＺ（ボンドから1mm ）の低温靱性を調査し
た。なお、表１ではＲＱをＱと表示した。

【００２５】引張試験は、ＡＳＴＭＡ３７０に準拠し
て行った。低温靱性は、シャルピー衝撃試験を行い、−
40℃の吸収エネルギー(vＥ_-40)で評価した。腐食試験
は、炭酸ガス腐食試験法（オートクレーブ中で3.0MPaの
炭酸ガスを飽和させた20％NaCl水溶液中に3.0mm ×25mm
×50mmの試験片を浸漬し、80℃で７日間保持する）によ
り行った。試験前後の重量測定から腐食速度を求め、腐
食速度0.1mm/year以上を×、0.1mm/year未満を○と評価
した。

【００２６】結果を表１に示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】本発明例は、孔食の発生はみられず耐孔食
性に優れ実用的に使用可能なレベルであり、母材の低温
靱性はもとよりＨＡＺの低温靱性にも優れ、ラインパイ
プ用として十分な特性である。Ｐ量の高い比較例では、
とくに母材とＨＡＺの低温靱性の面で本発明例に比べて
劣っている。また、Ni量の低い比較例では腐食速度が高
くなった。

【００２９】

【発明の効果】かくして本発明鋼管は、炭酸ガスおよび
塩化物を含有する環境で優れた耐食性を示し、かつ母材
靱性、ＨＡＺ靱性に優れるため、石油・天然ガス輸送用
のラインパイプ材として安価に提供でき、産業の発展に
寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｐ量と vＥ_-40との関係を示すグラフである。

【図２】極低Ｐ化による低温靱性改善効果を示すグラフ
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者豊岡高明愛知県半田市川崎町１丁目１番地川崎製鉄株式会社知多製造所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ラインパイプ用高Cr鋼管であって、その
組成が、Ｃ：0.02％以下、 Si：0.5 ％以下、 Mn：0.2 〜3.0 ％、Ｐ：0.010 ％未満、 Cr：10.0〜14.0％、 Ni：0.2 〜3.0 ％、Ｎ：0.02％以下、残部Feおよび不可避的不純物であることを特徴とするラ
インパイプ用高Cr鋼管。
【請求項２】前記組成に、 Cu：1.0 ％以下が付加された請求項１記載のラインパイプ用高Cr鋼管。
【請求項３】前記組成に、Ｖ：0.3 ％以下が付加された請求項１または２に記載のラインパイプ用
高Cr鋼管。