JP3608422B2 - 低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイルおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイル状に巻き取られた鋼管コイルに関し、より詳しくは長さの短い複数本の鋼管を順次突き合わせて円周溶接することで長尺鋼管となし、この長尺鋼管をコイル状に巻き取った鋼管コイルであるにも係わらず、その使用時に伸ばしと巻き戻しを繰り返し行った際にも良好な曲げ戻し強度を有する低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイルとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コイル状に巻き取られた鋼管コイルは、現地での施工工数を少なくする目的で用いられ、主として油井プラントや化学工業プラントなどの配管材料として使用されている。
【０００３】
具体的に説明すると、例えば、化学工業プラントにおいては、各種の装置間を連結する配管部材として用いられ、施工に際しては、その内部に高圧水や腐食性の強い高圧ガスや液体などを注入し、所定の配管形状に伸ばして使用される。この場合、その伸ばし工程は、通常、１回であり、その際、鋼管コイルが局部的に繰り返しの塑性歪みを受けた場合でも高々１０回程度の繰り返し曲げであるので、低サイクル疲労強度を特に考慮する必要はない。
【０００４】
これに対し、石油や天然ガスを生産する油井プラントに使用される鋼管コイルは、次のようにして用いられている油井管の代替え品として使用される。
【０００５】
すなわち、油井管は長さの短い真直な鋼管である。このため、その使用時は複数本の鋼管をねじ継手を用いて機械的に接続して長尺鋼管となし、使用後は解体して別の油井プラントに移送し、上記のねじ継手による機械的接続を行って再使用するという操作を繰り返して使用される。
【０００６】
従来、上記の油井プラントに使用される鋼管コイルとしては、複数の帯鋼を順次突き合わせ溶接接合して長尺帯鋼とした後溶接製管された長尺の溶接鋼管を巻き取ったものが主に用いられていた。そして、この場合、複数の帯鋼を順次突き合わせ溶接接合する際、溶接線の配置を工夫することにより、その突き合わせ接合部の信頼性の向上が図られている。
【０００７】
しかし、溶接鋼管には鋼管本体の溶接部の信頼性に問題があるので、最近では長さは短いが溶接鋼管よりも信頼性の高い継目無鋼管を順次突き合わせ円周溶接して長尺鋼管にし、この長尺鋼管を巻き取った鋼管コイルが多用されるようになってきた（例えば、Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ＳＰＥ３７６４５（１９９７）参照）。
【０００８】
そして、上記の文献では、より優れた繰り返し曲げ強度を備えた継目無鋼管を素材とする鋼管コイルを得るためには、アーク溶接法、具体的にはＴＩＧ溶接法ではなく、拡散接合法で突き合わせ円周溶接を行うのがよいとしている。
【０００９】
しかし、上記の文献に示される結果は、素材の継目無鋼管が低合金鋼製の場合の結果でしかなく、油井プラントにおいて用いられる多量のＣｒを含むステンレス鋼製の継目無鋼管の場合でも同じであるか否かについては何らの記載もない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ステンレス鋼製の長さの短い継目無鋼管または溶接鋼管を素材とする鋼管コイルを提供することにある。すなわち、その製造時における突き合わせ円周溶接を、拡散接合法に限らずＴＩＧ溶接法などのアーク溶接法で行うことが可能であるにもかかわらず、突き合わせ円周溶接部に貫通割れが発生するまでの繰り返し曲げ回数が２５０回以上という極めて良好な曲げ戻し強度を有する低サイクル疲労強度に優れた高耐食ステンレス鋼管コイルを提供することにある。
【００１１】
また、別の目的は、その管内に次に述べる目的を持って挿入されことがある管部材や工具の挿入作業が円滑に行え、しかも管内面に付着した異物の除去も確実に行えるようにした鋼管コイルとその製造方法を提供することにある。
【００１２】
すなわち、上記の管部材は、外径が鋼管コイルの内径よりも若干小さい管材で、巻き取られた長尺の鋼管コイルのうちの実際に伸ばすべきコイル部分に高圧水や腐食性の強い高圧ガスや液体などを直接供給するために挿入される。また、上記の工具は、外径が上記の管部材と同様の棒状や管状のもので、例えば油井プラントの場合のように真直に伸ばして使用され、その使用中に管内面に付着した異物を除去するために挿入される。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）と（２）の低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイル、および（３）のその製造方法にある。
【００１４】
（１）質量％で、１０．５％以上のＣｒを含むステンレス鋼からなる複数本の鋼管が順次突き合わせ円周溶接され、この長尺鋼管がコイル状に巻き取られた鋼管コイルであって、前記突き合わせ円周溶接部における管軸方向の硬化部の長さＷが母材部の管肉厚ｔの２倍以下であり、この硬化部の硬さと母材部の硬さとの硬度差がビッカース硬度で８０以下である低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイル。
【００１５】
（２）突き合わせ円周溶接部における内面ビードの高さが０．３ｍｍ以下である上記（１）に記載の低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイル。
【００１６】
（３）上記の（２）に記載の低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイルの製造方法であって、突き合わせ円周溶接部の溶接金属中に含まれるＳ、Ｏ（酸素）およびＡｌの量が、質量％で、Ｓ：０．００５％以下、Ｏ：０．００８％以下、Ａｌ：０．０６％以下、かつＳとＯ、ＯとＡｌの関係がそれぞれ下記の▲１▼式および▲２▼式を満たすように突き合わせ円周溶接する低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイルの製造方法。
【００１７】
０．００４≦（Ｏ＋２×Ｓ）≦０．０１２ ・・・ ▲１▼
Ｏ≧０．２×Ａｌ ・・・・・・・・・・・・・・ ▲２▼
ここで、▲１▼式および▲２▼式中の元素記号は、溶接金属中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
【００１８】
上記の本発明は、下記の知見に基づいて完成させた。すなわち、本発明者らは、ステンレス鋼製の長さの短い継目無鋼管または溶接鋼管を素材とする鋼管コイルの突き合わせ円周溶接部の繰り返し曲げ特性を向上させる方法について種々検討した結果、次のことを知見した。
【００１９】
曲げ変形を受ける領域での硬さ分布の変動範囲を所定値以下、具体的には、突き合わせ円周溶接部における管軸方向の硬化部の長さＷを母材部の管肉厚ｔの２倍以下とし、かつこの硬化部の硬さと母材部の硬さとの硬度差をビッカース硬度で８０以下にすると、繰り返し曲げ寿命が向上する。
【００２０】
すなわち、高耐食ステンレス鋼では、Ｃｒを多く添加した鋼を用いる必要があるが、その際の組織はマルテンサイト系、フェライト系、フェライトとオーステナイトの二相系およびオーステナイト系のいずれかになる。そして、マルテンサイト系の場合には、溶接熱サイクルにより焼入れ硬化が生じる。また、フェライト系の場合には、溶接熱によりフェライトの一部がマルテンサイト化して焼入れ硬化が生じたり析出硬化が生じる。さらに、二相系とオーステナイト系の場合には、多層溶接時における溶接熱歪みの重畳により加工硬化が生じる。その結果、いずれの場合も、突き合わせ円周溶接部での硬さの変動が大きなり、これに伴って突き合わせ円周溶接部、具体的には硬化部または硬化部と母材部との境界部分の繰り返し曲げ特性も大きくばらつく。
【００２１】
しかし、素材鋼管の化学組成、溶接材料の化学組成、溶接条件、および溶接後における後熱処理の有無（有時はその条件）の如何にかかわらず、上記の硬さ要件を満たす突き合わせ円周溶接部であれば、該部の繰り返し曲げ時における低サイクル疲労強度が高くなることが確認された。
【００２２】
また、突き合わせ円周溶接部の内面ビード高さが０．３ｍｍ以下でないと、前述した目的を持って管内に挿入される管部材や工具を円滑に挿入することができないだけでなく、母材部の管内面に付着している異物が十分に除去されないことが判明した。
【００２３】
上記０．３ｍｍ以下の内面ビードは、溶接金属中に含まれるＳ、Ｏ（酸素）およびＡｌの含有量を、質量％で、それぞれ、０．００５％以下、０．００８％以下、０．０６％以下にし、かつＳとＯ、ＯとＡｌの関係がそれぞれ上記の▲１▼式および▲２▼式を満たすように調整する場合に確保される。その理由は次のとおりである。
【００２４】
Ｓ、ＡｌおよびＯの含有量、並びにＳとＯ、ＯとＡｌの関係が上記の条件を満たす場合に限って溶融池が安定するほか、十分な溶け込み深さが確保されるためである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の鋼管コイルの構成要件とその限定理由につい説明する。
【００２６】
素材鋼管の材質と種類：
本発明の鋼管コイルの素材鋼管の材質は、質量％で、１０．５％以上のＣｒを含むステンレス鋼とする。これは、Ｃｒの含有量が１０．５％未満のステンレス鋼では、炭酸ガスなどの腐食環境下での耐食性が確保できないためである。
【００２７】
なお、上記のステンレス鋼とは、Ｃｒを除く元素のうち、Ｆｅの含有量が５０質量％以上のステンレス鋼であり、その組織はマルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系、およびフェライト相とオーステナイト相との二相系のいずれであってもよい。具体的に例示すると、ＪＩＳやＡＩＳＩなどの各種の規格に規定される各種のステンレス鋼、およびこれらのステンレス鋼に適量のＭｏ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒなどの合金元素を添加して耐食性を高めた高耐食ステンレス鋼などを挙げることができる。
【００２８】
素材鋼管は継目無鋼管が好ましいが、溶接製管後に短く切断された溶接鋼管であってもよい。また、素材鋼管としての溶接鋼管は、母材部と溶接部の少なくとも機械的性質が実質的に均一に調整されたものであることが好ましいが、その溶接線が管軸と平行なものであれば、母材部と溶接部の機械的性質が異なるものであってもよい。これは、溶接線が管軸と平行な溶接部は、低サイクル疲労強度に何らの悪影響も及ぼさないためである。
【００２９】
突き合わせ円周溶接部における管軸方向の硬化部長さと硬さ：
本発明の鋼管コイルは、突き合わせ円周溶接部における管軸方向の硬化部の長さＷが母材部の管肉厚ｔの２倍以下｛（Ｗ／ｔ）≦２｝であり、かつこの硬化部の硬さと母材部の硬さとの硬度差△Ｈがビッカース硬度で８０以下（△Ｈｖ≦８０）でなければならない。
【００３０】
その理由は、上記の硬化部の長さＷが母材部の管肉厚ｔの２倍超であったり、硬度差△Ｈｖが８０超であると、当該円周溶接部に繰り返し曲げを付与した際、曲げ歪みの分布の不均一が顕著になって母材部との境界付近に塑性歪みが集中し、少ない繰り返し曲げ回数で主として前記の境界付近に肉厚を貫通する割れが生じ、所望の繰り返し曲げ強度が確保できないためである。
【００３１】
突き合わせ円周溶接の手段としては、アーク溶接法のほかに拡散接合法を用いてもよく、その際の溶接条件は上記の要件が満たされる条件を適宜選定すればよい。また、材料によっては、上記の要件を満たすために溶接終了後に適当な後熱処理を施してもよい。
【００３２】
ＴＩＧ溶接法を用いる場合の溶接条件の一例を示せば、溶接電流１３０〜２００Ａ、溶接電圧１２〜１６Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎであり、この条件で溶接すれば、溶接のままで上記の要件を満たす突き合わせ円周溶接部を有する鋼管コイルが得られる。ただし、一部の材料については、上記の条件による溶接のままでは上記の要件を満たさないが、この場合には、例えば６５０〜７５０℃に５分間程度加熱保持する後熱処理を施せば、上記の要件を満たす突き合わせ円周溶接部を有する鋼管コイルが得られる。
【００３３】
突き合わせ円周溶接部における内面ビードの高さ：
本発明の鋼管コイルは、その突き合わせ円周溶接部の内面ビードの高さが０．３ｍｍ以下であることが好ましい。その理由は次のとおりである。すなわち、前述したように、鋼管コイルの管内には、前述した目的を持って管部材や工具が挿入されることがある。しかし、突き合わせ円周溶接部の内面ビードの高さが０．３ｍｍ超であると、管部材や工具を円滑に挿入することができなくなるだけでなく、母材部の管内面にある異物を十分に除去できなくなるためである。
【００３４】
突き合わせ円周溶接の手段がアーク溶接法の場合、高さが０．３ｍｍ以下の内面ビードを得るには、溶接金属中に含まれるＳ、Ｏ（酸素）およびＡｌの含有量を、質量％で、それぞれ、０．００５％以下、０．００８％以下、０．０６％以下にし、かつＳとＯ、ＯとＡｌの関係がそれぞれ上記の▲１▼式および▲２▼式を満たすように調整するのがよい。その理由は次のとおりである。
【００３５】
すなわち、良好な内面ビードを形成させ、しかもその高さを低くするためには溶融池の安定化と十分な溶け込み深さの確保が欠かせない。しかし、溶接金属中のＳ含有量が０．００５質量％超、またはＯ含有量が０．００８質量％超であると、溶融池の対流が内向きになって著しく凸型の内面ビードが形成されるようになり、０．３ｍｍ以下の内面ビードが形成されなくなる。
【００３６】
また、Ａｌ含有量が０．０６質量％超であると、溶融池内のスラグ量が増加して溶融池が不安定になり、０．３ｍｍ以下の内面ビードが形成されなくなる。
【００３７】
さらに、ＳとＯの含有量が上記の上限値以下であっても、Ｏ値と２倍のＳ値の合計値が０．０１２質量％を超えると、溶融池後方部での熱膨張に呼応して生じる溶融池の揺動が十分に抑制されず、高さ０．３ｍｍ以下の安定した内面ビードが形成されなくなる。
【００３８】
一方、ＳとＯを低減しすぎて上記の合計値を０．００４質量％未満にすると、溶接時の溶け込み深さが十分に確保できず、裏面ビードの未形成や融合不良などが生じやすくなり、却って溶接作業性が劣化する。
【００３９】
また、Ｏによる溶け込みと溶融池の安定化効果を十分に発揮させるためには、溶融池でＡｌと結合せずに溶融池中に溶解しているＯの存在が重要であるが、そのＯ量がＡｌ含有量の１／５未満であると、溶融池中に溶解するＯ量が不足して十分な溶け込み深さが確保されない。
【００４０】
以上のことから、本発明では、突き合わせ円周溶接の手段がアーク溶接法の場合における高さ０．３ｍｍ以下の内面ビードを得る必要がある場合には、上記のような条件とするのが望ましい。
【００４１】
なお、突き合わせ円周溶接の手段に拡散接合法を用いる場合に、高さ０．３ｍｍ以下の内面ビードを形成させるには、素材鋼管の鋼種と加熱温度に応じて接合時における加圧力を適宜制御すればよい。
【００４２】
【実施例】
（実施例１）
表１に示す化学組成を有する３種類のステンレス鋼からなり、外径８０ｍｍ、肉厚６ｍｍ、および外径１３０ｍｍ、肉厚１２ｍｍで、長さがいずれも１２ｍの継目無鋼管と、表２に示す化学組成を有する８種類の溶接材料を準備した。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
そして、準備した継目無鋼管の管端に、片側３０度のＶ開先を設け、表２に示す溶接材料のうちのＦ１〜Ｆ４のいずれかを用い、管外面側からＴＩＧ溶接法にて突き合わせ円周溶接して長さ４８０ｍの長尺鋼管にした後、直径１０ｍ、幅３ｍのボビンに巻き取った。
【００４６】
その際、突き合わせ円周溶接は、いずれも、溶接電流１３０Ａ、溶接電圧１２Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎの条件で行った。また、これらのうち、一部の鋼管コイルについては、その円周溶接部に、６５０℃に５分間または６７０℃に５分間加熱保持する後熱処理を施した。
【００４７】
なお、一部の鋼管コイルは、突き合わせ円周溶接に拡散接合法を用い、融点１０５０℃、厚さ５０μｍのインサート材（１９％Ｃｒ−１．５％Ｓｉ−７％Ｂ−残部Ｎｉ）を介在させ、加熱温度１２００℃、加圧力１５ＭＰａの条件で製造した。
【００４８】
得られた各鋼管コイルからは、長さ方向の中央部分に円周溶接部を有し、全体形状が円弧状の長さ１５ｍの試験材を採取して下記の繰り返し曲げ試験に供し、試験材の円周溶接部、具体的には硬化部または硬化部と母材部との境界部分に肉厚を貫通する亀裂が発生するまでのサイクル数を調べることにより、その低サイクル疲労強度を調査した。その結果を表３に示した。
【００４９】
繰り返し曲げ試験：
採取した試験材の片端を直径１０ｍの円筒部材の表面に固定装着する一方、他方端部を把持して円筒部材の同一円周上の外面に完全に沿うように巻き付け、この状態から真直に伸ばすことを１サイクルとする操作を繰り返す。
【００５０】
なお、試験は、管内に、塩素イオン濃度が６質量％、ｐＨが４．５の水溶液と圧力が１０ＭＰａの炭酸ガスを封入して行った。
【００５１】
【表３】
【００５２】
表３に示す結果から明らかなように、本発明で規定する要件を満たす鋼管コイル（試番１〜１２）は、サイクル数が２５０回に達しても、その円周溶接部には肉厚を貫通する亀裂は発生せず、良好な低サイクル疲労強度を有していた。
【００５３】
これに対し、本発明で規定する要件を満たさない鋼管コイル（試番１３〜１７）は、最大でもサイクル数が１７０回に達し時点で、その円周溶接部に肉厚を貫通する亀裂が発生し、低サイクル疲労強度が劣っていた。
【００５４】
（実施例２）
実施例１においてＴＩＧ溶接法で製造した鋼管コイルのうち、後熱処理を施さなかった試番１〜１１の鋼管コイルと、その溶接条件を溶接電流２００Ａ、溶接電圧１６Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎにして製造した鋼管コイル、および溶接材料に表２中のＧ１〜Ｇ４を用いる一方、その溶接要条件を溶接電流１３０Ａ、溶接電圧１２Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎ、並びに上記と同じ溶接電流２００Ａ、溶接電圧１６Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎにして製造した鋼管コイルを準備した。
【００５５】
そして、各鋼管コイルの溶接金属中のＳ、ＯおよびＡｌの含有量を調べるとともに、円周溶接部から試験片を採取して内面ビードの最大高さを測定し、その結果を表４に示した。
【００５６】
【表４】
【００５７】
表４に示す結果から明らかなように、溶接金属中のＳ、ＯおよびＡｌの含有量が望ましい条件の上限値以下であり、かつＳとＯ、ＯとＡｌの関係がそれぞれ本発明で規定する▲１▼式および▲２▼式を満たす鋼管コイル（試番１〜１１）は、いずれも内面ビードの高さが０．３ｍｍ以下であった。また、この０．３ｍｍ以下の内面ビードは、広い溶接条件で得られた。
【００５８】
これに対し、溶接金属中のＳ、ＯおよびＡｌの含有量が望ましい条件の上限値以下であるが、ＳとＯ、ＯとＡｌの関係が▲１▼式および▲２▼式を満たさない鋼管コイル（試番１８〜２１）は、内面ビードの高さが、いずれも０．３ｍｍよりも大きかった。したがって、内面ビードの高さを０．３ｍｍ以下にする必要がある場合には、溶接金属中に含まれるＳ、Ｏ（酸素）およびＡｌの含有量を、質量％で、それぞれ、０．００５％以下、０．００８％以下、０．０６％以下にし、かつＳとＯ、ＯとＡｌの関係がそれぞれ上記の▲１▼式および▲２▼式を満たすように調整するのがよいことがわかる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の鋼管コイルは、円周溶接部の低サイクル疲労強度が優れるので、油井や化学工業プラントの配管部材に用いて有効であり、特に伸ばし時、その管内に腐食性の強いガスや液体が注入され、しかも伸ばしと巻き取りの回数が多い油井用の配管部材に用いて極めて有効ある。
【００６０】
また、円周溶接部の内面ビード高さが０．３ｍｍ以下の鋼管コイルは、管内への管部材や工具挿入が円滑に行えるほか、管本体の内面に付着している異物を確実に除去することが可能である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイル状に巻き取られた鋼管コイルに関し、より詳しくは長さの短い複数本の鋼管を順次突き合わせて円周溶接することで長尺鋼管となし、この長尺鋼管をコイル状に巻き取った鋼管コイルであるにも係わらず、その使用時に伸ばしと巻き戻しを繰り返し行った際にも良好な曲げ戻し強度を有する低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイルとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コイル状に巻き取られた鋼管コイルは、現地での施工工数を少なくする目的で用いられ、主として油井プラントや化学工業プラントなどの配管材料として使用されている。
【０００３】
具体的に説明すると、例えば、化学工業プラントにおいては、各種の装置間を連結する配管部材として用いられ、施工に際しては、その内部に高圧水や腐食性の強い高圧ガスや液体などを注入し、所定の配管形状に伸ばして使用される。この場合、その伸ばし工程は、通常、１回であり、その際、鋼管コイルが局部的に繰り返しの塑性歪みを受けた場合でも高々１０回程度の繰り返し曲げであるので、低サイクル疲労強度を特に考慮する必要はない。
【０００４】
これに対し、石油や天然ガスを生産する油井プラントに使用される鋼管コイルは、次のようにして用いられている油井管の代替え品として使用される。
【０００５】
すなわち、油井管は長さの短い真直な鋼管である。このため、その使用時は複数本の鋼管をねじ継手を用いて機械的に接続して長尺鋼管となし、使用後は解体して別の油井プラントに移送し、上記のねじ継手による機械的接続を行って再使用するという操作を繰り返して使用される。
【０００６】
従来、上記の油井プラントに使用される鋼管コイルとしては、複数の帯鋼を順次突き合わせ溶接接合して長尺帯鋼とした後溶接製管された長尺の溶接鋼管を巻き取ったものが主に用いられていた。そして、この場合、複数の帯鋼を順次突き合わせ溶接接合する際、溶接線の配置を工夫することにより、その突き合わせ接合部の信頼性の向上が図られている。
【０００７】
しかし、溶接鋼管には鋼管本体の溶接部の信頼性に問題があるので、最近では長さは短いが溶接鋼管よりも信頼性の高い継目無鋼管を順次突き合わせ円周溶接して長尺鋼管にし、この長尺鋼管を巻き取った鋼管コイルが多用されるようになってきた（例えば、Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、ＳＰＥ３７６４５（１９９７）参照）。
【０００８】
そして、上記の文献では、より優れた繰り返し曲げ強度を備えた継目無鋼管を素材とする鋼管コイルを得るためには、アーク溶接法、具体的にはＴＩＧ溶接法ではなく、拡散接合法で突き合わせ円周溶接を行うのがよいとしている。
【０００９】
しかし、上記の文献に示される結果は、素材の継目無鋼管が低合金鋼製の場合の結果でしかなく、油井プラントにおいて用いられる多量のＣｒを含むステンレス鋼製の継目無鋼管の場合でも同じであるか否かについては何らの記載もない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ステンレス鋼製の長さの短い継目無鋼管または溶接鋼管を素材とする鋼管コイルを提供することにある。すなわち、その製造時における突き合わせ円周溶接を、拡散接合法に限らずＴＩＧ溶接法などのアーク溶接法で行うことが可能であるにもかかわらず、突き合わせ円周溶接部に貫通割れが発生するまでの繰り返し曲げ回数が２５０回以上という極めて良好な曲げ戻し強度を有する低サイクル疲労強度に優れた高耐食ステンレス鋼管コイルを提供することにある。
【００１１】
また、別の目的は、その管内に次に述べる目的を持って挿入されことがある管部材や工具の挿入作業が円滑に行え、しかも管内面に付着した異物の除去も確実に行えるようにした鋼管コイルとその製造方法を提供することにある。
【００１２】
すなわち、上記の管部材は、外径が鋼管コイルの内径よりも若干小さい管材で、巻き取られた長尺の鋼管コイルのうちの実際に伸ばすべきコイル部分に高圧水や腐食性の強い高圧ガスや液体などを直接供給するために挿入される。また、上記の工具は、外径が上記の管部材と同様の棒状や管状のもので、例えば油井プラントの場合のように真直に伸ばして使用され、その使用中に管内面に付着した異物を除去するために挿入される。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、下記（１）と（２）の低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイル、および（３）のその製造方法にある。
【００１４】
（１）質量％で、１０．５％以上のＣｒを含むステンレス鋼からなる複数本の鋼管が順次突き合わせ円周溶接され、この長尺鋼管がコイル状に巻き取られた鋼管コイルであって、前記突き合わせ円周溶接部における管軸方向の硬化部の長さＷが母材部の管肉厚ｔの２倍以下であり、この硬化部の硬さと母材部の硬さとの硬度差がビッカース硬度で８０以下である低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイル。
【００１５】
（２）突き合わせ円周溶接部における内面ビードの高さが０．３ｍｍ以下である上記（１）に記載の低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイル。
【００１６】
（３）上記の（２）に記載の低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイルの製造方法であって、突き合わせ円周溶接部の溶接金属中に含まれるＳ、Ｏ（酸素）およびＡｌの量が、質量％で、Ｓ：０．００５％以下、Ｏ：０．００８％以下、Ａｌ：０．０６％以下、かつＳとＯ、ＯとＡｌの関係がそれぞれ下記の▲１▼式および▲２▼式を満たすように突き合わせ円周溶接する低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイルの製造方法。
【００１７】
０．００４≦（Ｏ＋２×Ｓ）≦０．０１２ ・・・ ▲１▼
Ｏ≧０．２×Ａｌ ・・・・・・・・・・・・・・ ▲２▼
ここで、▲１▼式および▲２▼式中の元素記号は、溶接金属中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
【００１８】
上記の本発明は、下記の知見に基づいて完成させた。すなわち、本発明者らは、ステンレス鋼製の長さの短い継目無鋼管または溶接鋼管を素材とする鋼管コイルの突き合わせ円周溶接部の繰り返し曲げ特性を向上させる方法について種々検討した結果、次のことを知見した。
【００１９】
曲げ変形を受ける領域での硬さ分布の変動範囲を所定値以下、具体的には、突き合わせ円周溶接部における管軸方向の硬化部の長さＷを母材部の管肉厚ｔの２倍以下とし、かつこの硬化部の硬さと母材部の硬さとの硬度差をビッカース硬度で８０以下にすると、繰り返し曲げ寿命が向上する。
【００２０】
すなわち、高耐食ステンレス鋼では、Ｃｒを多く添加した鋼を用いる必要があるが、その際の組織はマルテンサイト系、フェライト系、フェライトとオーステナイトの二相系およびオーステナイト系のいずれかになる。そして、マルテンサイト系の場合には、溶接熱サイクルにより焼入れ硬化が生じる。また、フェライト系の場合には、溶接熱によりフェライトの一部がマルテンサイト化して焼入れ硬化が生じたり析出硬化が生じる。さらに、二相系とオーステナイト系の場合には、多層溶接時における溶接熱歪みの重畳により加工硬化が生じる。その結果、いずれの場合も、突き合わせ円周溶接部での硬さの変動が大きなり、これに伴って突き合わせ円周溶接部、具体的には硬化部または硬化部と母材部との境界部分の繰り返し曲げ特性も大きくばらつく。
【００２１】
しかし、素材鋼管の化学組成、溶接材料の化学組成、溶接条件、および溶接後における後熱処理の有無（有時はその条件）の如何にかかわらず、上記の硬さ要件を満たす突き合わせ円周溶接部であれば、該部の繰り返し曲げ時における低サイクル疲労強度が高くなることが確認された。
【００２２】
また、突き合わせ円周溶接部の内面ビード高さが０．３ｍｍ以下でないと、前述した目的を持って管内に挿入される管部材や工具を円滑に挿入することができないだけでなく、母材部の管内面に付着している異物が十分に除去されないことが判明した。
【００２３】
上記０．３ｍｍ以下の内面ビードは、溶接金属中に含まれるＳ、Ｏ（酸素）およびＡｌの含有量を、質量％で、それぞれ、０．００５％以下、０．００８％以下、０．０６％以下にし、かつＳとＯ、ＯとＡｌの関係がそれぞれ上記の▲１▼式および▲２▼式を満たすように調整する場合に確保される。その理由は次のとおりである。
【００２４】
Ｓ、ＡｌおよびＯの含有量、並びにＳとＯ、ＯとＡｌの関係が上記の条件を満たす場合に限って溶融池が安定するほか、十分な溶け込み深さが確保されるためである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の鋼管コイルの構成要件とその限定理由につい説明する。
【００２６】
素材鋼管の材質と種類：
本発明の鋼管コイルの素材鋼管の材質は、質量％で、１０．５％以上のＣｒを含むステンレス鋼とする。これは、Ｃｒの含有量が１０．５％未満のステンレス鋼では、炭酸ガスなどの腐食環境下での耐食性が確保できないためである。
【００２７】
なお、上記のステンレス鋼とは、Ｃｒを除く元素のうち、Ｆｅの含有量が５０質量％以上のステンレス鋼であり、その組織はマルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系、およびフェライト相とオーステナイト相との二相系のいずれであってもよい。具体的に例示すると、ＪＩＳやＡＩＳＩなどの各種の規格に規定される各種のステンレス鋼、およびこれらのステンレス鋼に適量のＭｏ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｒなどの合金元素を添加して耐食性を高めた高耐食ステンレス鋼などを挙げることができる。
【００２８】
素材鋼管は継目無鋼管が好ましいが、溶接製管後に短く切断された溶接鋼管であってもよい。また、素材鋼管としての溶接鋼管は、母材部と溶接部の少なくとも機械的性質が実質的に均一に調整されたものであることが好ましいが、その溶接線が管軸と平行なものであれば、母材部と溶接部の機械的性質が異なるものであってもよい。これは、溶接線が管軸と平行な溶接部は、低サイクル疲労強度に何らの悪影響も及ぼさないためである。
【００２９】
突き合わせ円周溶接部における管軸方向の硬化部長さと硬さ：
本発明の鋼管コイルは、突き合わせ円周溶接部における管軸方向の硬化部の長さＷが母材部の管肉厚ｔの２倍以下｛（Ｗ／ｔ）≦２｝であり、かつこの硬化部の硬さと母材部の硬さとの硬度差△Ｈがビッカース硬度で８０以下（△Ｈｖ≦８０）でなければならない。
【００３０】
その理由は、上記の硬化部の長さＷが母材部の管肉厚ｔの２倍超であったり、硬度差△Ｈｖが８０超であると、当該円周溶接部に繰り返し曲げを付与した際、曲げ歪みの分布の不均一が顕著になって母材部との境界付近に塑性歪みが集中し、少ない繰り返し曲げ回数で主として前記の境界付近に肉厚を貫通する割れが生じ、所望の繰り返し曲げ強度が確保できないためである。
【００３１】
突き合わせ円周溶接の手段としては、アーク溶接法のほかに拡散接合法を用いてもよく、その際の溶接条件は上記の要件が満たされる条件を適宜選定すればよい。また、材料によっては、上記の要件を満たすために溶接終了後に適当な後熱処理を施してもよい。
【００３２】
ＴＩＧ溶接法を用いる場合の溶接条件の一例を示せば、溶接電流１３０〜２００Ａ、溶接電圧１２〜１６Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎであり、この条件で溶接すれば、溶接のままで上記の要件を満たす突き合わせ円周溶接部を有する鋼管コイルが得られる。ただし、一部の材料については、上記の条件による溶接のままでは上記の要件を満たさないが、この場合には、例えば６５０〜７５０℃に５分間程度加熱保持する後熱処理を施せば、上記の要件を満たす突き合わせ円周溶接部を有する鋼管コイルが得られる。
【００３３】
突き合わせ円周溶接部における内面ビードの高さ：
本発明の鋼管コイルは、その突き合わせ円周溶接部の内面ビードの高さが０．３ｍｍ以下であることが好ましい。その理由は次のとおりである。すなわち、前述したように、鋼管コイルの管内には、前述した目的を持って管部材や工具が挿入されることがある。しかし、突き合わせ円周溶接部の内面ビードの高さが０．３ｍｍ超であると、管部材や工具を円滑に挿入することができなくなるだけでなく、母材部の管内面にある異物を十分に除去できなくなるためである。
【００３４】
突き合わせ円周溶接の手段がアーク溶接法の場合、高さが０．３ｍｍ以下の内面ビードを得るには、溶接金属中に含まれるＳ、Ｏ（酸素）およびＡｌの含有量を、質量％で、それぞれ、０．００５％以下、０．００８％以下、０．０６％以下にし、かつＳとＯ、ＯとＡｌの関係がそれぞれ上記の▲１▼式および▲２▼式を満たすように調整するのがよい。その理由は次のとおりである。
【００３５】
すなわち、良好な内面ビードを形成させ、しかもその高さを低くするためには溶融池の安定化と十分な溶け込み深さの確保が欠かせない。しかし、溶接金属中のＳ含有量が０．００５質量％超、またはＯ含有量が０．００８質量％超であると、溶融池の対流が内向きになって著しく凸型の内面ビードが形成されるようになり、０．３ｍｍ以下の内面ビードが形成されなくなる。
【００３６】
また、Ａｌ含有量が０．０６質量％超であると、溶融池内のスラグ量が増加して溶融池が不安定になり、０．３ｍｍ以下の内面ビードが形成されなくなる。
【００３７】
さらに、ＳとＯの含有量が上記の上限値以下であっても、Ｏ値と２倍のＳ値の合計値が０．０１２質量％を超えると、溶融池後方部での熱膨張に呼応して生じる溶融池の揺動が十分に抑制されず、高さ０．３ｍｍ以下の安定した内面ビードが形成されなくなる。
【００３８】
一方、ＳとＯを低減しすぎて上記の合計値を０．００４質量％未満にすると、溶接時の溶け込み深さが十分に確保できず、裏面ビードの未形成や融合不良などが生じやすくなり、却って溶接作業性が劣化する。
【００３９】
また、Ｏによる溶け込みと溶融池の安定化効果を十分に発揮させるためには、溶融池でＡｌと結合せずに溶融池中に溶解しているＯの存在が重要であるが、そのＯ量がＡｌ含有量の１／５未満であると、溶融池中に溶解するＯ量が不足して十分な溶け込み深さが確保されない。
【００４０】
以上のことから、本発明では、突き合わせ円周溶接の手段がアーク溶接法の場合における高さ０．３ｍｍ以下の内面ビードを得る必要がある場合には、上記のような条件とするのが望ましい。
【００４１】
なお、突き合わせ円周溶接の手段に拡散接合法を用いる場合に、高さ０．３ｍｍ以下の内面ビードを形成させるには、素材鋼管の鋼種と加熱温度に応じて接合時における加圧力を適宜制御すればよい。
【００４２】
【実施例】
（実施例１）
表１に示す化学組成を有する３種類のステンレス鋼からなり、外径８０ｍｍ、肉厚６ｍｍ、および外径１３０ｍｍ、肉厚１２ｍｍで、長さがいずれも１２ｍの継目無鋼管と、表２に示す化学組成を有する８種類の溶接材料を準備した。
【００４３】
【表１】
【表２】
そして、準備した継目無鋼管の管端に、片側３０度のＶ開先を設け、表２に示す溶接材料のうちのＦ１〜Ｆ４のいずれかを用い、管外面側からＴＩＧ溶接法にて突き合わせ円周溶接して長さ４８０ｍの長尺鋼管にした後、直径１０ｍ、幅３ｍのボビンに巻き取った。
【００４６】
その際、突き合わせ円周溶接は、いずれも、溶接電流１３０Ａ、溶接電圧１２Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎの条件で行った。また、これらのうち、一部の鋼管コイルについては、その円周溶接部に、６５０℃に５分間または６７０℃に５分間加熱保持する後熱処理を施した。
【００４７】
なお、一部の鋼管コイルは、突き合わせ円周溶接に拡散接合法を用い、融点１０５０℃、厚さ５０μｍのインサート材（１９％Ｃｒ−１．５％Ｓｉ−７％Ｂ−残部Ｎｉ）を介在させ、加熱温度１２００℃、加圧力１５ＭＰａの条件で製造した。
【００４８】
得られた各鋼管コイルからは、長さ方向の中央部分に円周溶接部を有し、全体形状が円弧状の長さ１５ｍの試験材を採取して下記の繰り返し曲げ試験に供し、試験材の円周溶接部、具体的には硬化部または硬化部と母材部との境界部分に肉厚を貫通する亀裂が発生するまでのサイクル数を調べることにより、その低サイクル疲労強度を調査した。その結果を表３に示した。
【００４９】
繰り返し曲げ試験：
採取した試験材の片端を直径１０ｍの円筒部材の表面に固定装着する一方、他方端部を把持して円筒部材の同一円周上の外面に完全に沿うように巻き付け、この状態から真直に伸ばすことを１サイクルとする操作を繰り返す。
【００５０】
なお、試験は、管内に、塩素イオン濃度が６質量％、ｐＨが４．５の水溶液と圧力が１０ＭＰａの炭酸ガスを封入して行った。
【００５１】
【表３】
表３に示す結果から明らかなように、本発明で規定する要件を満たす鋼管コイル（試番１〜１２）は、サイクル数が２５０回に達しても、その円周溶接部には肉厚を貫通する亀裂は発生せず、良好な低サイクル疲労強度を有していた。
【００５３】
これに対し、本発明で規定する要件を満たさない鋼管コイル（試番１３〜１７）は、最大でもサイクル数が１７０回に達し時点で、その円周溶接部に肉厚を貫通する亀裂が発生し、低サイクル疲労強度が劣っていた。
【００５４】
（実施例２）
実施例１においてＴＩＧ溶接法で製造した鋼管コイルのうち、後熱処理を施さなかった試番１〜１１の鋼管コイルと、その溶接条件を溶接電流２００Ａ、溶接電圧１６Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎにして製造した鋼管コイル、および溶接材料に表２中のＧ１〜Ｇ４を用いる一方、その溶接要条件を溶接電流１３０Ａ、溶接電圧１２Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎ、並びに上記と同じ溶接電流２００Ａ、溶接電圧１６Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎにして製造した鋼管コイルを準備した。
【００５５】
そして、各鋼管コイルの溶接金属中のＳ、ＯおよびＡｌの含有量を調べるとともに、円周溶接部から試験片を採取して内面ビードの最大高さを測定し、その結果を表４に示した。
【００５６】
【表４】
表４に示す結果から明らかなように、溶接金属中のＳ、ＯおよびＡｌの含有量が望ましい条件の上限値以下であり、かつＳとＯ、ＯとＡｌの関係がそれぞれ本発明で規定する▲１▼式および▲２▼式を満たす鋼管コイル（試番１〜１１）は、いずれも内面ビードの高さが０．３ｍｍ以下であった。また、この０．３ｍｍ以下の内面ビードは、広い溶接条件で得られた。
【００５８】
これに対し、溶接金属中のＳ、ＯおよびＡｌの含有量が望ましい条件の上限値以下であるが、ＳとＯ、ＯとＡｌの関係が▲１▼式および▲２▼式を満たさない鋼管コイル（試番１８〜２１）は、内面ビードの高さが、いずれも０．３ｍｍよりも大きかった。したがって、内面ビードの高さを０．３ｍｍ以下にする必要がある場合には、溶接金属中に含まれるＳ、Ｏ（酸素）およびＡｌの含有量を、質量％で、それぞれ、０．００５％以下、０．００８％以下、０．０６％以下にし、かつＳとＯ、ＯとＡｌの関係がそれぞれ上記の▲１▼式および▲２▼式を満たすように調整するのがよいことがわかる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の鋼管コイルは、円周溶接部の低サイクル疲労強度が優れるので、油井や化学工業プラントの配管部材に用いて有効であり、特に伸ばし時、その管内に腐食性の強いガスや液体が注入され、しかも伸ばしと巻き取りの回数が多い油井用の配管部材に用いて極めて有効ある。
【００６０】
また、円周溶接部の内面ビード高さが０．３ｍｍ以下の鋼管コイルは、管内への管部材や工具挿入が円滑に行えるほか、管本体の内面に付着している異物を確実に除去することが可能である。
Claims (3)
- 質量％で、１０．５％以上のＣｒを含むステンレス鋼からなる複数本の鋼管が順次突き合わせ円周溶接され、この長尺鋼管がコイル状に巻き取られた鋼管コイルであって、前記突き合わせ円周溶接部における管軸方向の硬化部の長さＷが母材部の管肉厚ｔの２倍以下であり、この硬化部の硬さと母材部の硬さとの硬度差がビッカース硬度で８０以下であることを特徴とする低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイル。
- 突き合わせ円周溶接部における内面ビードの高さが０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイル。
- 請求項２に記載の低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイルの製造方法であって、突き合わせ円周溶接部の溶接金属中に含まれるＳ、Ｏ（酸素）およびＡｌの量が、質量％で、Ｓ：０．００５％以下、Ｏ：０．００８％以下、Ａｌ：０．０６％以下、かつＳとＯ、ＯとＡｌの関係がそれぞれ下記の▲１▼式および▲２▼式を満たすように突き合わせ円周溶接することを特徴とする低サイクル疲労強度に優れた高耐食鋼管コイルの製造方法。
０．００４≦（Ｏ＋２×Ｓ）≦０．０１２ ・・・ ▲１▼
Ｏ≧０．２×Ａｌ ・・・・・・・・・・・・・・ ▲２▼
ここで、▲１▼式および▲２▼式中の元素記号は、溶接金属中に含まれる各元素の含有量（質量％）を意味する。
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