JP3896031B2 - 高強度ｕｏｅ鋼管の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管の製造方法に関し、詳しくは、天然ガスや原油などを長距離輸送するためのラインパイプ等に用いられる引っ張り強度が８００ＭＰａ以上で大径の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
天然ガスや原油などを長距離輸送するためのラインパイプに多く用いられるＵＯＥ又はＵＯ鋼管と呼ばれる大径のシーム溶接鋼管は、一般に、図１（ａ）〜（ｉ）に示すように、（ａ）所定寸法の平鋼板１を用いて、（ｂ）その板幅調整、両幅端部の開先加工２を行い、（ｃ）両幅端部の曲げ加工３を行い、さらに、（ｄ）Ｕ形の成形４、（ｅ）Ｏ形の成形５により管状にプレス成形した後、（ｆ）突合わせ部をガスシ−ルドアーク溶接、レーザー溶接等により仮付け溶接６、（ｇ）サブマージアーク溶接などにより内面シーム溶接７および（ｈ）外面シーム溶接８を行い、その後、（ｉ）鋼管の真円度を高めるためにエキスパンダ−などにより拡管成形９を行う工程で製造される。最近のＵＯＥ鋼管の製造工場は、高生産性確保のために、これらの各工程が１本のライン線上に配置され連続的に加工できるよう工夫されている。
【０００３】
近年、ガス、石油の利用量の拡大、輸送コストの低減等を理由にした高圧輸送および輸送効率拡大のため、ラインパイプの大型化、薄肉・高強度化が進んでいる。このような背景で、現在、ラインパイプ材として引張強度７００ＭＰａ級の高強度ＵＯＥ鋼管の試作が開始され、８００ＭＰａまたは１０００ＭＰａ級の高強度ＵＯＥ鋼管の開発も進められている。
【０００４】
一般に、シーム溶接鋼管では、溶接ＨＡＺおよび溶接金属の引っ張り強度が母材の引っ張り強度と同等以上とし、シーム溶接鋼管の引張試験の際に母材部分で破断することが求められる。しかしながら、引張強度７００ＭＰａ級以上の高強度ＵＯＥ鋼管では、溶接金属の高強度化により溶接ＨＡＺに歪が集中して引張試験の際に溶接ＨＡＺの位置で破断する危険性が高くなる。
【０００５】
更に、引張強度８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管では、製造工程でシーム溶接部に横割れが発生するという問題が新たに発生してきた。
【０００６】
この横割れは、従来から溶接金属の拡散性水素による水素脆化、割れ感受性の増大、引張応力の付加の３つ要因により発生する水素割れであると言われている（例えば、溶接接合便覧：丸善（株）平成２年９月、Ｐ８８５）。
【０００７】
また、ＨＴ８０（引張強さ７８０ＭＰａ以上）の高強度鋼の低温割れに関して溶接金属に発生する横割れの防止が最も困難であるとの報告がなされており（「溶接学会誌」第４６巻（１９７７）第１２号、８７５〜８８０頁）、拡散性水素量と溶接ワイヤの組成から横割れ発生限界を予測する試みが行われている（「溶接学会誌」第４６巻（１９７７）第８号、５６１〜５６６頁）。
【０００８】
しかし、これらの報告では、特定の水素含有量で割れが発生する場合にはシーム溶接時に予熱温度または層間温度を高くすることにより割れ発生が防止できるとの見解を表明するにとどまっている。
【０００９】
このように溶接金属の横割れの対策としてシーム溶接時の予熱処理または後熱処理の実施や溶接材料の拡散性水素量の低減等が挙げられる。
【００１０】
しかし、溶接時の予熱処理または後熱処理は、ＵＯＥ鋼管の製造工程を繁雑化し、生産性の低下や製造コストの増加を招き好ましくない。
【００１１】
また、８００ＭＰａ以上の高強度鋼管では、鋼管引張試験時の母材破断を実現できる溶接金属の靱性を確保するためには、サブマージ溶接に高塩基度のフラックスを用いて溶接金属中の酸素量を低減する必要があり、一般に高塩基度フラックスは拡散性水素量が高いため、溶接材料の拡散性水素量の低減は、溶接金属の靱性確保の点から限界がある。
【００１２】
更に、特開２００１−７１１７６号公報では、溶接金属の化学組成を規定することにより溶接後冷却時のマルテンサイト変態温度を調整し溶接残留応力を緩和することで溶接金属の横割れを防止する方法が提案されている。
【００１３】
しかし、溶接金属のマルテンサイト変態点の低下のための合金元素の増加は、靱性低下や溶接高温割れを助長し、鋼管引張試験時の母材破断を実現するための溶接金属の強度と靱性のバランスおよび溶接性の確保の観点から鋼管の母材および溶接金属の成分設計の制約が大きくなり好ましくない。
【００１４】
従って、引張強度８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管を製造する際に発生する溶接金属の横割れを、生産性の低下や製造コストの増加、さらには母材および溶接金属の成分設計の制約も少なく、かつ、シーム溶接部の靱性などの鋼管の機械特性を維持できる方法が望まれている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術の問題に鑑みて、本発明は、８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管を製造する際に、生産性の低下や製造コストの増加、さらには母材および溶接金属の成分設計の制約も少なく、かつ、シーム溶接部の靱性などの鋼管の機械特性を維持しつつ、高強度ＵＯＥ鋼管の製造時の溶接金属の横割れを防止し、さらには拡管成形時の拡管割れを防止できる高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、溶接金属の横割れの挙動の解析結果から、横割れの発生は、シーム溶接完了から拡管成形開始までの時間と拡散性水素量、拡管成形時の拡管率、溶接金属の強度との関係で整理することができ、これらの関係を規定することにより抑制できるという知見に基になされたものである。
【００１７】
つまり、本発明の要旨とするところは、母材の引張強度が８００ＭＰａ以上、外径が４０６ｍｍ以上、かつ肉厚が１０ｍｍ以上の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法において、鋼板を管状に成形後、突合わせ部を仮付け溶接後、拡散性水素量が２０ｍｌ／１００ｇ以下の溶接フラックスを用い、シ−ム溶接金属の引張強度が１４００ＭＰａ以下、かつ母材の引張強度の０．８倍〜１．４倍の条件で鋼管の内面および外面をサブマージアーク溶接によるシーム溶接を行い、この溶接終了時から３０分以上経過した後に、拡管率が５％以下の条件で拡管成形することを特徴とする高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法、である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、まず、８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管を製造する際に、溶接金属の横割れが発生するＵＯＥ鋼管のサイズおよび強度を調査した結果、以下のことがわかった。
【００１９】
（１） 高強度ＵＯＥ鋼管のサイズについては、その肉厚が１０ｍｍ以上の場合に溶接金属の横割れが多く発生する。また、その外径が４０６ｍｍ以上の場合には、通常、板厚が１０ｍｍ以上となるため溶接金属の横割れが多く発生する。
【００２０】
なお、８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管では、設備能力によりＵ形およびＯ形のプレス成形または拡管成形が可能な鋼管の肉厚は規制を受け、現状設備能力上、製造可能な鋼管の肉厚の上限は約４０ｍｍである。
【００２１】
（２） ＵＯＥ鋼管の強度については、鋼管母材の引張強度が８００ＭＰａ以上で溶接金属の横割れが多く発生する。
【００２２】
なお、鋼管母材の引張強度が１２００ＭＰａを超えるような超高強度鋼管は、現状の製造工程で製造する場合に、成形性の低下、シ−ム溶接部の溶接ＨＡＺおよび溶接金属の靱性低下および拡管割れの発生などの問題が多くなり、現状の製造可能な鋼管の引張強度の上限は、約１２００ＭＰａである。
【００２３】
以上を踏まえて、本発明では、溶接金属の横割れが多く発生する溶接金属の母材の引張強度が８００ＭＰａ以上、外径が４０６ｍｍ以上、かつ肉厚が１０ｍｍ以上の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法を対象とした。
【００２４】
以下に本発明の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法における製造条件の限定理由について説明する。
【００２５】
本発明者らは、引っ張り強度が９５０ＭＰａの鋼板を管状にプレス成形後、突合せ部を引っ張り強度および拡散性水素量が異なる種々のフラックスとワイヤを用いてサブマージアーク溶接によるシーム溶接を行い、その後、シーム溶接後から拡管開始までの時間および拡管率を変えて拡管成形を行うことにより長さ１０ｍのＵＯＥ鋼管を製造し、溶接金属の横割れ発生状況を調査した。
フラックス中の拡散性水素量は、ＪＩＳ Ｚ３１１８鋼溶接部の水素量測定方法に準じて、２号試験片を使用して当該フラックスを用いてサブマージアーク溶接直後の溶接金属中の拡散性水素量を、測定したものであり、溶着金属１００ｇ中の拡散性水素量である（以下、同様とする）。また、溶接金属の横割れの有無は、シーム溶接後７２時間経過後に溶接ビード表面を超音波探傷試験により全長にわたり調査し、１個でも横割れが発生していた場合は、横割れ有りと判断した（以下、同様とする）。
【００２６】
本発明者らの実験により、本発明が対象とする肉厚が約４０ｍｍ以下のＵＯＥ鋼管の製造条件では、シーム溶接後、約２５分経過すると溶接金属は２００℃から１００℃前後の温度に冷却されることが確認された。また、溶接金属中の拡散性水素は、１００℃を超える温度では拡散されて母材あるいは管外に放出されるが、１００℃前後を境に拡散性水素の拡散速度は急激に低下するため、１００℃以下の温度では溶接金属中の拡散性水素は移動されにくくなることがわかった。
【００２７】
一方、鋼管の拡管成形工程では、鋼管内部から押し広げられるために、母材およびシーム溶接部は鋼管円周方向に伸ばされ、逆に溶接線方向に縮もうとする。この際、シーム溶接部の溶接金属の変形能は母材に比べて変形能が大きいため、溶接金属が過大な塑性変形により収縮する際に母材に拘束される結果、溶接金属の溶接線方向に引張応力が生じることを確認している。
【００２８】
溶接金属の引っ張り強度が高い場合には、溶接金属の割れ感受性が高くなり鋼管の拡管成形後に横割れが多く発生する傾向にあることも確認した。
【００２９】
これらの知見から、本発明者らは、鋼管の拡管成形後に、シーム溶接線を横切って鋼管円周方向に発生する溶接金属の横割の発生は、特に、シーム溶接直後の溶接金属中の拡散性水素量、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間に依存する拡散性水素の拡散速度、拡管成形時の拡管率、さらには溶接金属の引っ張り強度の条件に依存するものと考え、更に、これらの条件について詳細な検討を行った。
【００３０】
（フラックス中の拡散性水素量）
図２にシーム溶接後から拡管成形開始までの時間とシーム溶接時に用いるフラックス中の拡散性水素量中の拡散性水素量および溶接金属の横割れ発生状況との関係を示す。なお、シーム溶接得られる溶接金属の引っ張り強度は１０００ＭＰａ、拡管成形時の拡管率は３％で行った。
【００３１】
図２から、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上で、かつシーム溶接時に用いるフラックス中の拡散性水素量中の拡散性水素量が２０ｍｌ／１００ｇ以下の条件で、溶接金属の横割れは発生しない。
【００３２】
シーム溶接時に用いるフラックス中の拡散性水素量中の拡散性水素量が２０ｍｌ／１００ｇ以下の場合には、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分で溶接金属中の拡散性水素が十分に拡散されて母材あるいは管外に放出されるため、その時間が３０分以上での拡管成形時に溶接金属中に残存する拡散性水素量は少なく、拡管成形により溶接金属の溶接方向に引張応力が負荷されても水素脆化による横割れが発生しにくくなる。
【００３３】
一方、シーム溶接時に用いるフラックス中の拡散性水素量中の拡散性水素量が２０ｍｌ／１００ｇを超える場合には、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分ではまだ溶接金属中の拡散性水素が十分に拡散されず残存し、かつ、その時間が３０分以上では溶接金属中の拡散性水素の拡散速度が極度に遅くなり拡散されにくくなるため、拡管成形により溶接金属の溶接方向に引張応力が負荷された場合に水素脆化による横割れが発生しやすくなる。このため、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が１２０分の場合でも、拡管成形後に横割れが生じている。
【００３４】
従って、本発明では、サブマージアーク溶接によるシーム溶接時に用いるフラックス中の拡散性水素量を２０ｍｌ／１００ｇ以下に規定する。なお、フラックス中の拡散性水素量は、ＪＩＳ Ｚ３１１８鋼溶接部の水素量測定方法に準じて、２号試験片を使用して当該フラックスを用いてサブマージアーク溶接直後の溶接金属中の拡散性水素量を、測定したものであり、溶着金属１００ｇ中の拡散性水素量である。
【００３５】
（拡管成形時の拡管率）
図３にシーム溶接後から拡管成形開始までの時間と拡管成形時の拡管率および溶接金属の横割れ発生状況との関係を示す。なお、シーム溶接で得られる溶接金属の引っ張り強度は１０００ＭＰａ、シーム溶接に用いたフラックス中の拡散性水素量は１０ｍｌ／１００ｇで行った。
【００３６】
図２から、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上で、かつ拡管成形時の拡管率が５％以下の条件で、溶接金属の横割れは発生しない。一方、拡管成形時の拡管率が５％を超える場合には、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間にかかわらず過剰な応力集中により横割れが発生し、更に、シーム溶接部のビード形状によっては、拡管成形時に溶接ＨＡＺ（溶接止端部）位置での破断（拡管割れ）が生じる。
【００３７】
拡管成形時の拡管率が５％以下の場合には、拡管成形により溶接金属の溶接方向に負荷させる引張応力が小さいために水素脆化による横割れが発生しにくくなり、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上の溶接金属中の拡散性水素が十分に拡散され、残存する拡散性水素量が少ない場合には、水素脆化の抑制との相乗作用により横割れは発生しなくなる。
【００３８】
一方、拡管成形時の拡管率が５％を超える場合には、拡管成形により溶接金属の溶接方向に負荷させる引張応力が大きいために水素脆化による横割れが発生しやすくなり、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上の溶接金属中の拡散性水素が十分に拡散され、残存する拡散性水素量が少ない場合でも、溶接金属の横割れが発生しやすくなり、更に、塑性変形が大きすぎると、拡管割れ（溶接ＨＡＺ位置での破断）が発生する危険性が生じる。
【００３９】
従って、本発明では、拡管成形時の拡管率を５％以下に規定する。
【００４０】
なお、拡管成形時の拡管率の下限は、特に規定する必要はないが、母材の引張強度が８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管では、拡管率が過度に小さすぎると、鋼管の真円度が悪化し品質上好ましくないため、鋼管の品質の観点からその下限を０．３％とするのが好ましい。
【００４１】
（溶接金属の引っ張り強度）
図４にシーム溶接後から拡管成形開始までの時間とシーム溶接部の溶接金属の引っ張り強度および溶接金属の横割れ発生状況との関係を示す。なお、シーム溶接に用いたフラックス中の拡散性水素量は１０ｍｌ／１００ｇ、拡管成形時の拡管率は３％で行った。
【００４２】
図２から、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上で、かつ溶接金属の引っ張り強度が１４００ＭＰａ以下の条件で、溶接金属の横割れは発生しない。一方、溶接金属の引っ張り強度が１４００ＭＰａを超える場合には、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間にかかわらず横割れが発生する。
【００４３】
溶接金属の引っ張り強度が１４００ＭＰａ以下の場合には、溶接金属の高強度化により溶接金属の水素脆化に対する感受性が増加することによる影響は少ないため、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上の溶接金属中の拡散性水素が十分に拡散され、残存する拡散性水素量が少ない場合には、水素脆化の抑制との相乗作用により横割れは発生しなくなる。
【００４４】
一方、溶接金属の引っ張り強度が１４００ＭＰａを超える場合には、強化元素の増加による溶接金属の水素脆化に対する感受性が大きくなり、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上の溶接金属中の拡散性水素が十分に拡散され、残存する拡散性水素量が少ない場合でも、横割れが発生しやすくなる。従って、本発明では、シーム溶接の溶接金属の引っ張り強度の上限を１４００ＭＰａ以下に規定する。
【００４５】
（溶接金属の母材に対する引っ張り強度比）
本発明では、引張強度８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管を対象とするが、このような高強度ＵＯＥ鋼管では、溶接金属の横割れの発生と共に、拡管成形時に溶接ＨＡＺまたは溶接金属の位置で破断する拡管割れの発生が問題となる。
【００４６】
本発明では、溶接金属の横割れの発生を抑制すると共に、拡管割れの発生を防止するために、上述した溶接金属の引っ張り強度の上限を１４００ＭＰａ以下に規定すると共に、その引張強度を母材の引っ張り強度の０．８倍〜１．４倍に規定する。
【００４７】
溶接金属の引っ張り強度が母材の引っ張り強度の１．４倍を超えると、拡管時にシーム溶接部の溶接ＨＡＺ部に過剰に塑性歪が集中し拡管割れが発生しやすくなる。一方、溶接金属の引っ張り強度が母材引っ張り強度の０．８倍より低くなると、シーム溶接部の引っ張り強度が母材に比較して低すぎるため、拡管成形時にシーム溶接部の溶接金属位置で破断しやすくなる。従って、溶接金属の引張強度を母材の引っ張り強度の０．８倍〜１．４倍に規定する。
【００４８】
本発明では、上述した製造条件を満足させることにより、母材の引張強度が８００ＭＰａ以上、外径が４０６ｍｍ以上、かつ肉厚が１０ｍｍ以上の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法において、溶接金属の横割れ、および、拡管割れの発生を防止し、優れた品質の高強度ＵＯＥ鋼管を製造することができる。
【００４９】
本発明の高強度ＵＯ鋼管は、通常のＵＯ鋼管の製造工程を用いて製造することができる。
【００５０】
鋼板を管状にプレス成形した後、突合せ部のシーム溶接に先立って行われる仮付け溶接は、多様されているガスシールドアーク溶接でも、最近実用されつつあるレーザーなどのビーム溶接でも良い。
【００５１】
シーム溶接は、Ｘ開先に加工した突合せ部を、鋼管の内面側および外面側からそれぞれ１層の溶接を行うことで行われる。このシーム溶接は、溶接能率が高く、開先形状の許容範囲が広く、更に、仮付け溶接金属の再溶融が可能である、サブマージアーク溶接が好ましく、溶接能率向上の観点から多電極を用い、１電極目は溶込みの安定性からワイヤ＋極の直流電極が好ましい。電流、電圧条件は、内面溶接は仮付け溶接を突き抜けない条件で、外面溶接は完全に仮付け溶接を再溶融する条件が好ましい。また、溶接速度は板厚にもよるが、板厚２０ｍｍで１．５ｍ／ｍｉｎ程度であり、当然早いほど好ましい。
【００５２】
サブマージアーク溶接に用いられるフラックスは、溶接金属中の酸素濃度を低減し溶接金属の靱性を向上することができる中塩基度また高塩基度のフラックスが好ましい。
【００５３】
また、本発明の対象である引張強度が８００ＭＰａ以上の鋼管の母材成分は、特に規定する必要はなく、例えば、以下に示すＣ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍn：０．５〜２．０％、Ｎｉ：０．０２〜４％、ＣｒおよぶＭｏの何れか１種または２種の合計量：０．１〜４％を含有する鋼で良い。
なお、ここで％は質量％を示す（以下、同様である）。
【００５４】
Ｃは、鋼中に添加することにより低コストで強度を向上することができ、多いほどコスト低減できるが、あまり多いとシーム溶接した際の溶接ＨＡＺ部に島状マルテンサイトと呼ばれる硬組織が生成し、靱性が低下するため好ましくなく、一方、少なすぎると焼入れ性不足で、強度、靱性の確保が難しい。そのため、Ｃ含有量は０．０２〜０．１２％にするのが好ましい。
【００５５】
Ｓｉは、溶接ＨＡＺに島状マルテンサイトを形成しやすい成分であり、あまり添加量が高いと溶接ＨＡＺ部の靱性低下を引起こすため、その含有量は、０．３５％以下とするのが好ましい。
【００５６】
Ｍｎは、焼入れ性を高め強度、靱性を確保するための成分であり、少ないと強度、靱性の確保が難しい。しかし、含有量が２．０％を超えると造塊割れの原因になる。そにため、Ｍｎ含有量は０．５〜２．０％にするのが好ましい。
【００５７】
ＮｉもＭｎと同様に、強度、靱性、特に靱性を確保するための成分であり、０．０２％以上の添加が好ましい。しかし、あまり高いと高価な元素のため、経済的でなくなる。そのため、Ｎｉ含有量は０．０２〜４％にするのが好ましい。
【００５８】
Ｃｒ、Ｍｏは何れも強度確保のための元素で、少ないと強度確保ができない。また、あまり高いと熱影響部が硬くなりすぎ、単に拡管成形のタイミングを調整しただけでは溶接割れを防止できない。そのため、ＣｒおよぶＭｏの何れか１種または２種の合計量を０．１〜４％にするのが好ましい。
【００５９】
Ｐ、Ｓは不可避的に混入する成分であり、靱性確保のため、Ｐは０．０４％以下、Ｓは０．０３％以下に制限するのが好ましい。
【００６０】
更に強度、靱性の向上等のために、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、ＣａおよびＭｇのうちの何れか１種または２種以上を合計量で１％以下添加しても良い。
【００６１】
また、鋼管のシーム溶接部の溶接金属の成分も特に規制しないが、共金系のワイヤおよびフラックスの溶接材料により溶接金属の成分を母材成分とほぼ同じ成分系とするのが好ましい。しかし、ラインパイプの多くは溶接ままで使用され、母材のように圧延による組織制御により強度、靱性の確保等の操作ができないため、母材の機械的特性とのバランスを考慮して添加成分の含有量を調整するのが好ましい。
【００６２】
【実施例】
次に、実施例に基づき本発明を更に具体的に説明する。
【００６３】
表１に鋼管製造時に用いた鋼板の板厚、強度および化学成分を、表２にシーム溶接に用いたフラックスおよび溶接条件を、表３にシーム溶接に用いた溶接ワイヤの化学成分をそれぞれ示す。表４に表１〜３の鋼板、シーム溶接条件の何れかの条件を組み合わせて、シーム溶接および拡管条件が本発明範囲内（本発明例）および範囲外（比較例）でＵＯＥ鋼管を製造後、溶接金属の横割れおよび拡管割れの発生状況を示す。なお、表２に示した高塩基度−溶融型フラックスは、ＳｉＯ2：１０％、Ａｌ2Ｏ3：２５％、ＣａＯ：１５％、ＣａＦ2：３５％、その他成分：１５％からなる、粒度：８０以下のメシュのものを用いた。また、高塩基度−焼成型フラックスの基本成分系は溶融型フラックスと同じであり、これに合金材として、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉを合計量で５％程度添加し、水ガラスで顆粒状にして４８０℃で焼成したものを用いた。
【００６４】
また、表４におけるフラックス中の拡散性水素量の調整は、表２に示す密封保管された各フラックスをそのまま使用する他、密封保管された各フラックスを４日ほど開封放置して拡散性水素量を高くしたものを使用することで行った。
【００６５】
なお、表４におけるフラックス中の拡散性水素量は、ＪＩＳ Ｚ３１１８鋼溶接部の水素量測定方法に準じて２号試験片を使用し、交流６２５Ａ、電圧３０Ｖ、溶接速度６０ｃｍ／ｍｉｎ、ワイヤ付出し３０ｍｍで溶接した後、拡散性水素量の測定はガスクロ法で行った。この際のワイヤは表３に示すＷＣ：径４．８ｍｍを使用し、フラックスは溶接試験に使用したと同じ条件のものを使用した。
【００６６】
溶接ワイヤは表３に示すＷＡ，ＷＢ，ＷＣの３種類を母材強度により、組み合わせを変えて使用した。
【００６７】
溶接金属の横割れ観察は、目視、ＰＴおよびＲＴ（ＪＩＳ Ｚ３１０４高溶接部の放射線透過試験方法および透過写真の等級分類方法）でシーム溶接後７２時間経過した後に行った。
【００６８】
管の製造は８〜１０ｍ長さの鋼板を、まず管サイズに必要な幅に切断した後、端部をシ−ム溶接部がＸ開先になるように開先加工し、この後、Ｕプレス、Ｏプレスを行い、筒状に加工した。その後、仮付け溶接として、５７０ＭＰａ級ワイヤを使用して入熱６．５ｋＪ／ｃｍの炭酸ガス溶接により鋼管の外側から全線溶接した。この後、表３に示すワイヤを使用して、表２に示す条件で鋼管の内面、その後、外面からそれぞれ同一条件で１パスのサブマージアーク溶接によりシーム溶接を行った。
【００６９】
シーム溶接後の拡管成形は、内面から油圧で押し拡げる装置を使用して行い、拡管前後の管外周長さを巻き尺を使用して測定し、下記（１）式より拡管率を求めた。
【００７０】
実施番号１の発明例は、板厚１６ｍｍ、強度１０５０ＭＰａで外径９３０ｍｍの鋼管を、拡散性水素量４ｍｌ／１００ｇの高塩基度の溶融型フラックスを使用して３電極潜弧溶接し、４０分後に拡管率２％の拡管成形した。このときの溶接金属強度は１０７７ＭＰａ、溶接金属強度／母材強度は１．０３である。この場合、本発明の条件を満たしているため、溶接金属の横割れおよび拡管割れのない健全なＵＯＥ鋼管が製造できた。
【００７１】
実施番号２の発明例は、実施番号１の発明例と同じ成分で板厚２５ｍｍ、強度１０１０ＭＰａ、外径４５７ｍｍの鋼管を、拡散性水素量１８ｍｌ／１００ｇの高塩基度の溶融型フラックスを使用して３電極潜弧溶接し、４０分後に拡管率５％の拡管成形した。このときの溶接金属強度は１１４５ＭＰａ、溶接金属強度／母材強度は１．３５と溶接金属の強度は高い。しかし、拡管時期が３０分以降で、拡散性水素量、拡管率および溶接金属の強度も本発明の範囲内のため溶接金属の横割れおよび拡管割れのない健全なＵＯＥ鋼管が得られている。
【００７２】
実施番号３の発明例は、板厚１４ｍｍ、強度１１９０ＭＰａ、外径７６２ｍｍの鋼管を、拡散性水素量１０ｍｌ／１００ｇの高塩基度の溶融型フラックスを使用して３電極潜弧溶接し、３５分後に拡管率１％の拡管成形した。このときの溶接金属強度は１０３０ＭＰａ、溶接金属強度／母材強度０．８７である。この場合も、本発明の条件範囲内のため、溶接金属の横割れおよび拡管割れのない健全なＵＯＥ鋼管が得られている。
【００７３】
実施番号４の本発明例は、板厚３２ｍｍ、強度８３０ＭＰａ、外径９３０ｍｍの鋼管を、拡散性水素量５ｍｌ／１００ｇの高塩基度の焼結型フラックスを使用して４電極潜弧溶接し、３５分後に拡管率３％の拡管成形した。このときの溶接金属強度は８０５ＭＰａ、溶接金属強度／母材強度０．９５であったこの場合も、本発明の条件を満たしており、溶接金属の横割れおよび拡管割れのない、健全なＵＯＥ鋼管が得られている。
【００７４】
実施番号５の比較例は、実施番号１の発明例と同じ材質および寸法の鋼管を同じ溶接条件でシーム溶接したが、シ−ム溶接後２０分で拡管成形したため、溶接金属に横割れが発生した。
【００７５】
実施番号６の比較例は、実施例２の発明例と同じ材質および寸法の鋼管を同じ溶接条件でシ−ム溶接したが、シ−ム溶接後２５分で拡管成形したため、溶接金属に横割れが発生した。
【００７６】
実施番号７の比較例は、実施例２の発明例と同じ成分で板厚が２５ｍの鋼管で、高塩基度の溶融型フラックスで、３電極潜弧溶接をした。溶接金属中の拡散性水素量は１５ｍｌ／１００ｇである。また、シ−ム溶接後２０分で拡管率５％の拡管成形をした。これは溶接金属の強度が低いため割れは認められなかったが、溶接金属の強度が低く、溶接金属位置で拡管割れが発生した。
【００７７】
実施番号８の比較例は、板厚１４ｍｍで、強度１１９０ＭＰａ、外径７６２ｍｍの鋼管を、拡散性水素量２２ｍｌ／１００ｇの高塩基度の溶融型フラックスを使用して３電極で、溶接金属の強度１３４０ＭＰａの条件でサブマージアーク溶接した。拡管時期は４０分後で拡管率も本発明の範囲内であるが、このとき使用したフラックスが４日ほど開封放置したもので、拡散性水素量が過剰のため溶接金属に横割れが発生している。
【００７８】
実施番号９の比較例は、実施番号４の発明例と同じ材料で板厚３２ｍｍ、強度９３０ＭＰａで外径９３０ｍｍの鋼管を、高塩基度の焼結型フラックスを使用して４電極潜弧溶接し、溶接金属強度は８９０ＭＰａで、４０分後に拡管率２％の拡管成形した。拡管時期、溶接金属の強度および拡管率は本発明の条件を満たしている。また、溶接金属の強度も低く横割れに対しては有利であるが、このとき使用したフラックスが４日ほど開封放置したもので、拡散性水素量が２４ｍｌ／１００ｇと高く、そのため、溶接金属に横割れが認められた。
【００７９】
実施番号１０の比較例は、板厚１６ｍｍ、強度１０５０ＭＰａで外径９３０ｍｍの鋼管を、拡散性水素量５ｍｌ／１００ｇの高塩基度の溶融型フラックスを使用して３電極で、溶接金属強度１５００ＭＰａで溶接金属強度／母材強度１．４２の条件で潜弧溶接し、３５分後に拡管率５％の拡管成形した。拡管時期や拡散性水素量は本発明の条件範囲にはいっているが、溶接金属強度が過剰で溶接金属強度／母材強度も１．４２と高く溶接金属に横割れが発生した他、拡管成形時に溶接ＨＡＺ位置で拡管割れが発生した。
【００８０】
実施番号１１の比較例は、実施番号１の発明例と同じ条件の板厚１６ｍｍ、強度１０５０ＭＰａで外径９３０ｍｍの鋼管を、拡散性水素量４ｍｌ／１００ｇの高塩基度の溶融型フラックスを使用して３電極で、溶接金属強度は１０７９ＭＰａ条件で潜弧溶接し、４５分後に拡管率７％の拡管成形した。拡管率が過剰のため、溶接金属に微小な横割れが確認された他、拡管成形時に溶接ＨＡＺ位置で拡管割れが発生した。
【００８１】
【表１】
【００８２】
【表２】
【００８３】
【表３】
【００８４】
【表４】
【００８５】
【発明の効果】
本発明により、天然ガスや原油などを長距離輸送するためのラインパイプ等で用いられる引っ張り強度が８００ＭＰａ以上の大径の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法において、生産性の低下や製造コストの増加、さらには母材および溶接金属の成分設計の制約も少なく、かつ、シーム溶接部の靱性などの鋼管の機械特性を維持しつつ、シーム部の溶接金属の横割れ、さらには拡管成形時の拡管割れを防止することができる。
【００８６】
これにより、ガス、石油の利用量の拡大、輸送コストの低減等を理由にした高圧輸送および輸送効率拡大のためのラインパイプの大型化、薄肉・高強度化のニーズに応えられる引っ張り強度が８００N／ｍｍ2以上の高強度ＵＯＥ鋼管を高品質および高生産で製造することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なＵＯＥ鋼管の製造工程（ａ）〜（ｉ）を示す図である。
【図２】シーム溶接後から拡管成形開始までの時間とシーム溶接時に用いるフラックス中の拡散性水素量および溶接金属の横割れ発生状況との関係を示す図である。
【図３】シーム溶接後から拡管成形開始までの時間と拡管成形時の拡管率および溶接金属の横割れ発生状況との関係を示す図である。
【図４】シーム溶接後から拡管成形開始までの時間とシーム溶接部の溶接金属の引っ張り強度および溶接金属の横割れ発生状況との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 鋼板
２ 板幅調整、開先加工
３ 端部曲げ加工
４ Ｕ成形
５ Ｏ成形
６ 仮付け溶接
７ 内面シーム溶接
８ 外面シーム溶接
９ 拡管成形
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼管の製造方法に関し、詳しくは、天然ガスや原油などを長距離輸送するためのラインパイプ等に用いられる引っ張り強度が８００ＭＰａ以上で大径の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
天然ガスや原油などを長距離輸送するためのラインパイプに多く用いられるＵＯＥ又はＵＯ鋼管と呼ばれる大径のシーム溶接鋼管は、一般に、図１（ａ）〜（ｉ）に示すように、（ａ）所定寸法の平鋼板１を用いて、（ｂ）その板幅調整、両幅端部の開先加工２を行い、（ｃ）両幅端部の曲げ加工３を行い、さらに、（ｄ）Ｕ形の成形４、（ｅ）Ｏ形の成形５により管状にプレス成形した後、（ｆ）突合わせ部をガスシ−ルドアーク溶接、レーザー溶接等により仮付け溶接６、（ｇ）サブマージアーク溶接などにより内面シーム溶接７および（ｈ）外面シーム溶接８を行い、その後、（ｉ）鋼管の真円度を高めるためにエキスパンダ−などにより拡管成形９を行う工程で製造される。最近のＵＯＥ鋼管の製造工場は、高生産性確保のために、これらの各工程が１本のライン線上に配置され連続的に加工できるよう工夫されている。
【０００３】
近年、ガス、石油の利用量の拡大、輸送コストの低減等を理由にした高圧輸送および輸送効率拡大のため、ラインパイプの大型化、薄肉・高強度化が進んでいる。このような背景で、現在、ラインパイプ材として引張強度７００ＭＰａ級の高強度ＵＯＥ鋼管の試作が開始され、８００ＭＰａまたは１０００ＭＰａ級の高強度ＵＯＥ鋼管の開発も進められている。
【０００４】
一般に、シーム溶接鋼管では、溶接ＨＡＺおよび溶接金属の引っ張り強度が母材の引っ張り強度と同等以上とし、シーム溶接鋼管の引張試験の際に母材部分で破断することが求められる。しかしながら、引張強度７００ＭＰａ級以上の高強度ＵＯＥ鋼管では、溶接金属の高強度化により溶接ＨＡＺに歪が集中して引張試験の際に溶接ＨＡＺの位置で破断する危険性が高くなる。
【０００５】
更に、引張強度８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管では、製造工程でシーム溶接部に横割れが発生するという問題が新たに発生してきた。
【０００６】
この横割れは、従来から溶接金属の拡散性水素による水素脆化、割れ感受性の増大、引張応力の付加の３つ要因により発生する水素割れであると言われている（例えば、溶接接合便覧：丸善（株）平成２年９月、Ｐ８８５）。
【０００７】
また、ＨＴ８０（引張強さ７８０ＭＰａ以上）の高強度鋼の低温割れに関して溶接金属に発生する横割れの防止が最も困難であるとの報告がなされており（「溶接学会誌」第４６巻（１９７７）第１２号、８７５〜８８０頁）、拡散性水素量と溶接ワイヤの組成から横割れ発生限界を予測する試みが行われている（「溶接学会誌」第４６巻（１９７７）第８号、５６１〜５６６頁）。
【０００８】
しかし、これらの報告では、特定の水素含有量で割れが発生する場合にはシーム溶接時に予熱温度または層間温度を高くすることにより割れ発生が防止できるとの見解を表明するにとどまっている。
【０００９】
このように溶接金属の横割れの対策としてシーム溶接時の予熱処理または後熱処理の実施や溶接材料の拡散性水素量の低減等が挙げられる。
【００１０】
しかし、溶接時の予熱処理または後熱処理は、ＵＯＥ鋼管の製造工程を繁雑化し、生産性の低下や製造コストの増加を招き好ましくない。
【００１１】
また、８００ＭＰａ以上の高強度鋼管では、鋼管引張試験時の母材破断を実現できる溶接金属の靱性を確保するためには、サブマージ溶接に高塩基度のフラックスを用いて溶接金属中の酸素量を低減する必要があり、一般に高塩基度フラックスは拡散性水素量が高いため、溶接材料の拡散性水素量の低減は、溶接金属の靱性確保の点から限界がある。
【００１２】
更に、特開２００１−７１１７６号公報では、溶接金属の化学組成を規定することにより溶接後冷却時のマルテンサイト変態温度を調整し溶接残留応力を緩和することで溶接金属の横割れを防止する方法が提案されている。
【００１３】
しかし、溶接金属のマルテンサイト変態点の低下のための合金元素の増加は、靱性低下や溶接高温割れを助長し、鋼管引張試験時の母材破断を実現するための溶接金属の強度と靱性のバランスおよび溶接性の確保の観点から鋼管の母材および溶接金属の成分設計の制約が大きくなり好ましくない。
【００１４】
従って、引張強度８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管を製造する際に発生する溶接金属の横割れを、生産性の低下や製造コストの増加、さらには母材および溶接金属の成分設計の制約も少なく、かつ、シーム溶接部の靱性などの鋼管の機械特性を維持できる方法が望まれている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術の問題に鑑みて、本発明は、８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管を製造する際に、生産性の低下や製造コストの増加、さらには母材および溶接金属の成分設計の制約も少なく、かつ、シーム溶接部の靱性などの鋼管の機械特性を維持しつつ、高強度ＵＯＥ鋼管の製造時の溶接金属の横割れを防止し、さらには拡管成形時の拡管割れを防止できる高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、溶接金属の横割れの挙動の解析結果から、横割れの発生は、シーム溶接完了から拡管成形開始までの時間と拡散性水素量、拡管成形時の拡管率、溶接金属の強度との関係で整理することができ、これらの関係を規定することにより抑制できるという知見に基になされたものである。
【００１７】
つまり、本発明の要旨とするところは、母材の引張強度が８００ＭＰａ以上、外径が４０６ｍｍ以上、かつ肉厚が１０ｍｍ以上の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法において、鋼板を管状に成形後、突合わせ部を仮付け溶接後、拡散性水素量が２０ｍｌ／１００ｇ以下の溶接フラックスを用い、シ−ム溶接金属の引張強度が１４００ＭＰａ以下、かつ母材の引張強度の０．８倍〜１．４倍の条件で鋼管の内面および外面をサブマージアーク溶接によるシーム溶接を行い、この溶接終了時から３０分以上経過した後に、拡管率が５％以下の条件で拡管成形することを特徴とする高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法、である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、まず、８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管を製造する際に、溶接金属の横割れが発生するＵＯＥ鋼管のサイズおよび強度を調査した結果、以下のことがわかった。
【００１９】
（１） 高強度ＵＯＥ鋼管のサイズについては、その肉厚が１０ｍｍ以上の場合に溶接金属の横割れが多く発生する。また、その外径が４０６ｍｍ以上の場合には、通常、板厚が１０ｍｍ以上となるため溶接金属の横割れが多く発生する。
【００２０】
なお、８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管では、設備能力によりＵ形およびＯ形のプレス成形または拡管成形が可能な鋼管の肉厚は規制を受け、現状設備能力上、製造可能な鋼管の肉厚の上限は約４０ｍｍである。
【００２１】
（２） ＵＯＥ鋼管の強度については、鋼管母材の引張強度が８００ＭＰａ以上で溶接金属の横割れが多く発生する。
【００２２】
なお、鋼管母材の引張強度が１２００ＭＰａを超えるような超高強度鋼管は、現状の製造工程で製造する場合に、成形性の低下、シ−ム溶接部の溶接ＨＡＺおよび溶接金属の靱性低下および拡管割れの発生などの問題が多くなり、現状の製造可能な鋼管の引張強度の上限は、約１２００ＭＰａである。
【００２３】
以上を踏まえて、本発明では、溶接金属の横割れが多く発生する溶接金属の母材の引張強度が８００ＭＰａ以上、外径が４０６ｍｍ以上、かつ肉厚が１０ｍｍ以上の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法を対象とした。
【００２４】
以下に本発明の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法における製造条件の限定理由について説明する。
【００２５】
本発明者らは、引っ張り強度が９５０ＭＰａの鋼板を管状にプレス成形後、突合せ部を引っ張り強度および拡散性水素量が異なる種々のフラックスとワイヤを用いてサブマージアーク溶接によるシーム溶接を行い、その後、シーム溶接後から拡管開始までの時間および拡管率を変えて拡管成形を行うことにより長さ１０ｍのＵＯＥ鋼管を製造し、溶接金属の横割れ発生状況を調査した。
フラックス中の拡散性水素量は、ＪＩＳ Ｚ３１１８鋼溶接部の水素量測定方法に準じて、２号試験片を使用して当該フラックスを用いてサブマージアーク溶接直後の溶接金属中の拡散性水素量を、測定したものであり、溶着金属１００ｇ中の拡散性水素量である（以下、同様とする）。また、溶接金属の横割れの有無は、シーム溶接後７２時間経過後に溶接ビード表面を超音波探傷試験により全長にわたり調査し、１個でも横割れが発生していた場合は、横割れ有りと判断した（以下、同様とする）。
【００２６】
本発明者らの実験により、本発明が対象とする肉厚が約４０ｍｍ以下のＵＯＥ鋼管の製造条件では、シーム溶接後、約２５分経過すると溶接金属は２００℃から１００℃前後の温度に冷却されることが確認された。また、溶接金属中の拡散性水素は、１００℃を超える温度では拡散されて母材あるいは管外に放出されるが、１００℃前後を境に拡散性水素の拡散速度は急激に低下するため、１００℃以下の温度では溶接金属中の拡散性水素は移動されにくくなることがわかった。
【００２７】
一方、鋼管の拡管成形工程では、鋼管内部から押し広げられるために、母材およびシーム溶接部は鋼管円周方向に伸ばされ、逆に溶接線方向に縮もうとする。この際、シーム溶接部の溶接金属の変形能は母材に比べて変形能が大きいため、溶接金属が過大な塑性変形により収縮する際に母材に拘束される結果、溶接金属の溶接線方向に引張応力が生じることを確認している。
【００２８】
溶接金属の引っ張り強度が高い場合には、溶接金属の割れ感受性が高くなり鋼管の拡管成形後に横割れが多く発生する傾向にあることも確認した。
【００２９】
これらの知見から、本発明者らは、鋼管の拡管成形後に、シーム溶接線を横切って鋼管円周方向に発生する溶接金属の横割の発生は、特に、シーム溶接直後の溶接金属中の拡散性水素量、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間に依存する拡散性水素の拡散速度、拡管成形時の拡管率、さらには溶接金属の引っ張り強度の条件に依存するものと考え、更に、これらの条件について詳細な検討を行った。
【００３０】
（フラックス中の拡散性水素量）
図２にシーム溶接後から拡管成形開始までの時間とシーム溶接時に用いるフラックス中の拡散性水素量中の拡散性水素量および溶接金属の横割れ発生状況との関係を示す。なお、シーム溶接得られる溶接金属の引っ張り強度は１０００ＭＰａ、拡管成形時の拡管率は３％で行った。
【００３１】
図２から、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上で、かつシーム溶接時に用いるフラックス中の拡散性水素量中の拡散性水素量が２０ｍｌ／１００ｇ以下の条件で、溶接金属の横割れは発生しない。
【００３２】
シーム溶接時に用いるフラックス中の拡散性水素量中の拡散性水素量が２０ｍｌ／１００ｇ以下の場合には、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分で溶接金属中の拡散性水素が十分に拡散されて母材あるいは管外に放出されるため、その時間が３０分以上での拡管成形時に溶接金属中に残存する拡散性水素量は少なく、拡管成形により溶接金属の溶接方向に引張応力が負荷されても水素脆化による横割れが発生しにくくなる。
【００３３】
一方、シーム溶接時に用いるフラックス中の拡散性水素量中の拡散性水素量が２０ｍｌ／１００ｇを超える場合には、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分ではまだ溶接金属中の拡散性水素が十分に拡散されず残存し、かつ、その時間が３０分以上では溶接金属中の拡散性水素の拡散速度が極度に遅くなり拡散されにくくなるため、拡管成形により溶接金属の溶接方向に引張応力が負荷された場合に水素脆化による横割れが発生しやすくなる。このため、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が１２０分の場合でも、拡管成形後に横割れが生じている。
【００３４】
従って、本発明では、サブマージアーク溶接によるシーム溶接時に用いるフラックス中の拡散性水素量を２０ｍｌ／１００ｇ以下に規定する。なお、フラックス中の拡散性水素量は、ＪＩＳ Ｚ３１１８鋼溶接部の水素量測定方法に準じて、２号試験片を使用して当該フラックスを用いてサブマージアーク溶接直後の溶接金属中の拡散性水素量を、測定したものであり、溶着金属１００ｇ中の拡散性水素量である。
【００３５】
（拡管成形時の拡管率）
図３にシーム溶接後から拡管成形開始までの時間と拡管成形時の拡管率および溶接金属の横割れ発生状況との関係を示す。なお、シーム溶接で得られる溶接金属の引っ張り強度は１０００ＭＰａ、シーム溶接に用いたフラックス中の拡散性水素量は１０ｍｌ／１００ｇで行った。
【００３６】
図２から、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上で、かつ拡管成形時の拡管率が５％以下の条件で、溶接金属の横割れは発生しない。一方、拡管成形時の拡管率が５％を超える場合には、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間にかかわらず過剰な応力集中により横割れが発生し、更に、シーム溶接部のビード形状によっては、拡管成形時に溶接ＨＡＺ（溶接止端部）位置での破断（拡管割れ）が生じる。
【００３７】
拡管成形時の拡管率が５％以下の場合には、拡管成形により溶接金属の溶接方向に負荷させる引張応力が小さいために水素脆化による横割れが発生しにくくなり、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上の溶接金属中の拡散性水素が十分に拡散され、残存する拡散性水素量が少ない場合には、水素脆化の抑制との相乗作用により横割れは発生しなくなる。
【００３８】
一方、拡管成形時の拡管率が５％を超える場合には、拡管成形により溶接金属の溶接方向に負荷させる引張応力が大きいために水素脆化による横割れが発生しやすくなり、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上の溶接金属中の拡散性水素が十分に拡散され、残存する拡散性水素量が少ない場合でも、溶接金属の横割れが発生しやすくなり、更に、塑性変形が大きすぎると、拡管割れ（溶接ＨＡＺ位置での破断）が発生する危険性が生じる。
【００３９】
従って、本発明では、拡管成形時の拡管率を５％以下に規定する。
【００４０】
なお、拡管成形時の拡管率の下限は、特に規定する必要はないが、母材の引張強度が８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管では、拡管率が過度に小さすぎると、鋼管の真円度が悪化し品質上好ましくないため、鋼管の品質の観点からその下限を０．３％とするのが好ましい。
【００４１】
（溶接金属の引っ張り強度）
図４にシーム溶接後から拡管成形開始までの時間とシーム溶接部の溶接金属の引っ張り強度および溶接金属の横割れ発生状況との関係を示す。なお、シーム溶接に用いたフラックス中の拡散性水素量は１０ｍｌ／１００ｇ、拡管成形時の拡管率は３％で行った。
【００４２】
図２から、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上で、かつ溶接金属の引っ張り強度が１４００ＭＰａ以下の条件で、溶接金属の横割れは発生しない。一方、溶接金属の引っ張り強度が１４００ＭＰａを超える場合には、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間にかかわらず横割れが発生する。
【００４３】
溶接金属の引っ張り強度が１４００ＭＰａ以下の場合には、溶接金属の高強度化により溶接金属の水素脆化に対する感受性が増加することによる影響は少ないため、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上の溶接金属中の拡散性水素が十分に拡散され、残存する拡散性水素量が少ない場合には、水素脆化の抑制との相乗作用により横割れは発生しなくなる。
【００４４】
一方、溶接金属の引っ張り強度が１４００ＭＰａを超える場合には、強化元素の増加による溶接金属の水素脆化に対する感受性が大きくなり、シーム溶接後から拡管成形開始までの時間が３０分以上の溶接金属中の拡散性水素が十分に拡散され、残存する拡散性水素量が少ない場合でも、横割れが発生しやすくなる。従って、本発明では、シーム溶接の溶接金属の引っ張り強度の上限を１４００ＭＰａ以下に規定する。
【００４５】
（溶接金属の母材に対する引っ張り強度比）
本発明では、引張強度８００ＭＰａ以上の高強度ＵＯＥ鋼管を対象とするが、このような高強度ＵＯＥ鋼管では、溶接金属の横割れの発生と共に、拡管成形時に溶接ＨＡＺまたは溶接金属の位置で破断する拡管割れの発生が問題となる。
【００４６】
本発明では、溶接金属の横割れの発生を抑制すると共に、拡管割れの発生を防止するために、上述した溶接金属の引っ張り強度の上限を１４００ＭＰａ以下に規定すると共に、その引張強度を母材の引っ張り強度の０．８倍〜１．４倍に規定する。
【００４７】
溶接金属の引っ張り強度が母材の引っ張り強度の１．４倍を超えると、拡管時にシーム溶接部の溶接ＨＡＺ部に過剰に塑性歪が集中し拡管割れが発生しやすくなる。一方、溶接金属の引っ張り強度が母材引っ張り強度の０．８倍より低くなると、シーム溶接部の引っ張り強度が母材に比較して低すぎるため、拡管成形時にシーム溶接部の溶接金属位置で破断しやすくなる。従って、溶接金属の引張強度を母材の引っ張り強度の０．８倍〜１．４倍に規定する。
【００４８】
本発明では、上述した製造条件を満足させることにより、母材の引張強度が８００ＭＰａ以上、外径が４０６ｍｍ以上、かつ肉厚が１０ｍｍ以上の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法において、溶接金属の横割れ、および、拡管割れの発生を防止し、優れた品質の高強度ＵＯＥ鋼管を製造することができる。
【００４９】
本発明の高強度ＵＯ鋼管は、通常のＵＯ鋼管の製造工程を用いて製造することができる。
【００５０】
鋼板を管状にプレス成形した後、突合せ部のシーム溶接に先立って行われる仮付け溶接は、多様されているガスシールドアーク溶接でも、最近実用されつつあるレーザーなどのビーム溶接でも良い。
【００５１】
シーム溶接は、Ｘ開先に加工した突合せ部を、鋼管の内面側および外面側からそれぞれ１層の溶接を行うことで行われる。このシーム溶接は、溶接能率が高く、開先形状の許容範囲が広く、更に、仮付け溶接金属の再溶融が可能である、サブマージアーク溶接が好ましく、溶接能率向上の観点から多電極を用い、１電極目は溶込みの安定性からワイヤ＋極の直流電極が好ましい。電流、電圧条件は、内面溶接は仮付け溶接を突き抜けない条件で、外面溶接は完全に仮付け溶接を再溶融する条件が好ましい。また、溶接速度は板厚にもよるが、板厚２０ｍｍで１．５ｍ／ｍｉｎ程度であり、当然早いほど好ましい。
【００５２】
サブマージアーク溶接に用いられるフラックスは、溶接金属中の酸素濃度を低減し溶接金属の靱性を向上することができる中塩基度また高塩基度のフラックスが好ましい。
【００５３】
また、本発明の対象である引張強度が８００ＭＰａ以上の鋼管の母材成分は、特に規定する必要はなく、例えば、以下に示すＣ：０．０２〜０．１２％、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｍn：０．５〜２．０％、Ｎｉ：０．０２〜４％、ＣｒおよぶＭｏの何れか１種または２種の合計量：０．１〜４％を含有する鋼で良い。
なお、ここで％は質量％を示す（以下、同様である）。
【００５４】
Ｃは、鋼中に添加することにより低コストで強度を向上することができ、多いほどコスト低減できるが、あまり多いとシーム溶接した際の溶接ＨＡＺ部に島状マルテンサイトと呼ばれる硬組織が生成し、靱性が低下するため好ましくなく、一方、少なすぎると焼入れ性不足で、強度、靱性の確保が難しい。そのため、Ｃ含有量は０．０２〜０．１２％にするのが好ましい。
【００５５】
Ｓｉは、溶接ＨＡＺに島状マルテンサイトを形成しやすい成分であり、あまり添加量が高いと溶接ＨＡＺ部の靱性低下を引起こすため、その含有量は、０．３５％以下とするのが好ましい。
【００５６】
Ｍｎは、焼入れ性を高め強度、靱性を確保するための成分であり、少ないと強度、靱性の確保が難しい。しかし、含有量が２．０％を超えると造塊割れの原因になる。そにため、Ｍｎ含有量は０．５〜２．０％にするのが好ましい。
【００５７】
ＮｉもＭｎと同様に、強度、靱性、特に靱性を確保するための成分であり、０．０２％以上の添加が好ましい。しかし、あまり高いと高価な元素のため、経済的でなくなる。そのため、Ｎｉ含有量は０．０２〜４％にするのが好ましい。
【００５８】
Ｃｒ、Ｍｏは何れも強度確保のための元素で、少ないと強度確保ができない。また、あまり高いと熱影響部が硬くなりすぎ、単に拡管成形のタイミングを調整しただけでは溶接割れを防止できない。そのため、ＣｒおよぶＭｏの何れか１種または２種の合計量を０．１〜４％にするのが好ましい。
【００５９】
Ｐ、Ｓは不可避的に混入する成分であり、靱性確保のため、Ｐは０．０４％以下、Ｓは０．０３％以下に制限するのが好ましい。
【００６０】
更に強度、靱性の向上等のために、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｂ、ＣａおよびＭｇのうちの何れか１種または２種以上を合計量で１％以下添加しても良い。
【００６１】
また、鋼管のシーム溶接部の溶接金属の成分も特に規制しないが、共金系のワイヤおよびフラックスの溶接材料により溶接金属の成分を母材成分とほぼ同じ成分系とするのが好ましい。しかし、ラインパイプの多くは溶接ままで使用され、母材のように圧延による組織制御により強度、靱性の確保等の操作ができないため、母材の機械的特性とのバランスを考慮して添加成分の含有量を調整するのが好ましい。
【００６２】
【実施例】
次に、実施例に基づき本発明を更に具体的に説明する。
【００６３】
表１に鋼管製造時に用いた鋼板の板厚、強度および化学成分を、表２にシーム溶接に用いたフラックスおよび溶接条件を、表３にシーム溶接に用いた溶接ワイヤの化学成分をそれぞれ示す。表４に表１〜３の鋼板、シーム溶接条件の何れかの条件を組み合わせて、シーム溶接および拡管条件が本発明範囲内（本発明例）および範囲外（比較例）でＵＯＥ鋼管を製造後、溶接金属の横割れおよび拡管割れの発生状況を示す。なお、表２に示した高塩基度−溶融型フラックスは、ＳｉＯ2：１０％、Ａｌ2Ｏ3：２５％、ＣａＯ：１５％、ＣａＦ2：３５％、その他成分：１５％からなる、粒度：８０以下のメシュのものを用いた。また、高塩基度−焼成型フラックスの基本成分系は溶融型フラックスと同じであり、これに合金材として、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉを合計量で５％程度添加し、水ガラスで顆粒状にして４８０℃で焼成したものを用いた。
【００６４】
また、表４におけるフラックス中の拡散性水素量の調整は、表２に示す密封保管された各フラックスをそのまま使用する他、密封保管された各フラックスを４日ほど開封放置して拡散性水素量を高くしたものを使用することで行った。
【００６５】
なお、表４におけるフラックス中の拡散性水素量は、ＪＩＳ Ｚ３１１８鋼溶接部の水素量測定方法に準じて２号試験片を使用し、交流６２５Ａ、電圧３０Ｖ、溶接速度６０ｃｍ／ｍｉｎ、ワイヤ付出し３０ｍｍで溶接した後、拡散性水素量の測定はガスクロ法で行った。この際のワイヤは表３に示すＷＣ：径４．８ｍｍを使用し、フラックスは溶接試験に使用したと同じ条件のものを使用した。
【００６６】
溶接ワイヤは表３に示すＷＡ，ＷＢ，ＷＣの３種類を母材強度により、組み合わせを変えて使用した。
【００６７】
溶接金属の横割れ観察は、目視、ＰＴおよびＲＴ（ＪＩＳ Ｚ３１０４高溶接部の放射線透過試験方法および透過写真の等級分類方法）でシーム溶接後７２時間経過した後に行った。
【００６８】
管の製造は８〜１０ｍ長さの鋼板を、まず管サイズに必要な幅に切断した後、端部をシ−ム溶接部がＸ開先になるように開先加工し、この後、Ｕプレス、Ｏプレスを行い、筒状に加工した。その後、仮付け溶接として、５７０ＭＰａ級ワイヤを使用して入熱６．５ｋＪ／ｃｍの炭酸ガス溶接により鋼管の外側から全線溶接した。この後、表３に示すワイヤを使用して、表２に示す条件で鋼管の内面、その後、外面からそれぞれ同一条件で１パスのサブマージアーク溶接によりシーム溶接を行った。
【００６９】
シーム溶接後の拡管成形は、内面から油圧で押し拡げる装置を使用して行い、拡管前後の管外周長さを巻き尺を使用して測定し、下記（１）式より拡管率を求めた。
実施番号１の発明例は、板厚１６ｍｍ、強度１０５０ＭＰａで外径９３０ｍｍの鋼管を、拡散性水素量４ｍｌ／１００ｇの高塩基度の溶融型フラックスを使用して３電極潜弧溶接し、４０分後に拡管率２％の拡管成形した。このときの溶接金属強度は１０７７ＭＰａ、溶接金属強度／母材強度は１．０３である。この場合、本発明の条件を満たしているため、溶接金属の横割れおよび拡管割れのない健全なＵＯＥ鋼管が製造できた。
【００７１】
実施番号２の発明例は、実施番号１の発明例と同じ成分で板厚２５ｍｍ、強度１０１０ＭＰａ、外径４５７ｍｍの鋼管を、拡散性水素量１８ｍｌ／１００ｇの高塩基度の溶融型フラックスを使用して３電極潜弧溶接し、４０分後に拡管率５％の拡管成形した。このときの溶接金属強度は１１４５ＭＰａ、溶接金属強度／母材強度は１．３５と溶接金属の強度は高い。しかし、拡管時期が３０分以降で、拡散性水素量、拡管率および溶接金属の強度も本発明の範囲内のため溶接金属の横割れおよび拡管割れのない健全なＵＯＥ鋼管が得られている。
【００７２】
実施番号３の発明例は、板厚１４ｍｍ、強度１１９０ＭＰａ、外径７６２ｍｍの鋼管を、拡散性水素量１０ｍｌ／１００ｇの高塩基度の溶融型フラックスを使用して３電極潜弧溶接し、３５分後に拡管率１％の拡管成形した。このときの溶接金属強度は１０３０ＭＰａ、溶接金属強度／母材強度０．８７である。この場合も、本発明の条件範囲内のため、溶接金属の横割れおよび拡管割れのない健全なＵＯＥ鋼管が得られている。
【００７３】
実施番号４の本発明例は、板厚３２ｍｍ、強度８３０ＭＰａ、外径９３０ｍｍの鋼管を、拡散性水素量５ｍｌ／１００ｇの高塩基度の焼結型フラックスを使用して４電極潜弧溶接し、３５分後に拡管率３％の拡管成形した。このときの溶接金属強度は８０５ＭＰａ、溶接金属強度／母材強度０．９５であったこの場合も、本発明の条件を満たしており、溶接金属の横割れおよび拡管割れのない、健全なＵＯＥ鋼管が得られている。
【００７４】
実施番号５の比較例は、実施番号１の発明例と同じ材質および寸法の鋼管を同じ溶接条件でシーム溶接したが、シ−ム溶接後２０分で拡管成形したため、溶接金属に横割れが発生した。
【００７５】
実施番号６の比較例は、実施例２の発明例と同じ材質および寸法の鋼管を同じ溶接条件でシ−ム溶接したが、シ−ム溶接後２５分で拡管成形したため、溶接金属に横割れが発生した。
【００７６】
実施番号７の比較例は、実施例２の発明例と同じ成分で板厚が２５ｍの鋼管で、高塩基度の溶融型フラックスで、３電極潜弧溶接をした。溶接金属中の拡散性水素量は１５ｍｌ／１００ｇである。また、シ−ム溶接後２０分で拡管率５％の拡管成形をした。これは溶接金属の強度が低いため割れは認められなかったが、溶接金属の強度が低く、溶接金属位置で拡管割れが発生した。
【００７７】
実施番号８の比較例は、板厚１４ｍｍで、強度１１９０ＭＰａ、外径７６２ｍｍの鋼管を、拡散性水素量２２ｍｌ／１００ｇの高塩基度の溶融型フラックスを使用して３電極で、溶接金属の強度１３４０ＭＰａの条件でサブマージアーク溶接した。拡管時期は４０分後で拡管率も本発明の範囲内であるが、このとき使用したフラックスが４日ほど開封放置したもので、拡散性水素量が過剰のため溶接金属に横割れが発生している。
【００７８】
実施番号９の比較例は、実施番号４の発明例と同じ材料で板厚３２ｍｍ、強度９３０ＭＰａで外径９３０ｍｍの鋼管を、高塩基度の焼結型フラックスを使用して４電極潜弧溶接し、溶接金属強度は８９０ＭＰａで、４０分後に拡管率２％の拡管成形した。拡管時期、溶接金属の強度および拡管率は本発明の条件を満たしている。また、溶接金属の強度も低く横割れに対しては有利であるが、このとき使用したフラックスが４日ほど開封放置したもので、拡散性水素量が２４ｍｌ／１００ｇと高く、そのため、溶接金属に横割れが認められた。
【００７９】
実施番号１０の比較例は、板厚１６ｍｍ、強度１０５０ＭＰａで外径９３０ｍｍの鋼管を、拡散性水素量５ｍｌ／１００ｇの高塩基度の溶融型フラックスを使用して３電極で、溶接金属強度１５００ＭＰａで溶接金属強度／母材強度１．４２の条件で潜弧溶接し、３５分後に拡管率５％の拡管成形した。拡管時期や拡散性水素量は本発明の条件範囲にはいっているが、溶接金属強度が過剰で溶接金属強度／母材強度も１．４２と高く溶接金属に横割れが発生した他、拡管成形時に溶接ＨＡＺ位置で拡管割れが発生した。
【００８０】
実施番号１１の比較例は、実施番号１の発明例と同じ条件の板厚１６ｍｍ、強度１０５０ＭＰａで外径９３０ｍｍの鋼管を、拡散性水素量４ｍｌ／１００ｇの高塩基度の溶融型フラックスを使用して３電極で、溶接金属強度は１０７９ＭＰａ条件で潜弧溶接し、４５分後に拡管率７％の拡管成形した。拡管率が過剰のため、溶接金属に微小な横割れが確認された他、拡管成形時に溶接ＨＡＺ位置で拡管割れが発生した。
【００８１】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【発明の効果】
本発明により、天然ガスや原油などを長距離輸送するためのラインパイプ等で用いられる引っ張り強度が８００ＭＰａ以上の大径の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法において、生産性の低下や製造コストの増加、さらには母材および溶接金属の成分設計の制約も少なく、かつ、シーム溶接部の靱性などの鋼管の機械特性を維持しつつ、シーム部の溶接金属の横割れ、さらには拡管成形時の拡管割れを防止することができる。
【００８６】
これにより、ガス、石油の利用量の拡大、輸送コストの低減等を理由にした高圧輸送および輸送効率拡大のためのラインパイプの大型化、薄肉・高強度化のニーズに応えられる引っ張り強度が８００N／ｍｍ2以上の高強度ＵＯＥ鋼管を高品質および高生産で製造することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なＵＯＥ鋼管の製造工程（ａ）〜（ｉ）を示す図である。
【図２】シーム溶接後から拡管成形開始までの時間とシーム溶接時に用いるフラックス中の拡散性水素量および溶接金属の横割れ発生状況との関係を示す図である。
【図３】シーム溶接後から拡管成形開始までの時間と拡管成形時の拡管率および溶接金属の横割れ発生状況との関係を示す図である。
【図４】シーム溶接後から拡管成形開始までの時間とシーム溶接部の溶接金属の引っ張り強度および溶接金属の横割れ発生状況との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 鋼板
２ 板幅調整、開先加工
３ 端部曲げ加工
４ Ｕ成形
５ Ｏ成形
６ 仮付け溶接
７ 内面シーム溶接
８ 外面シーム溶接
９ 拡管成形
Claims (1)
- 母材の引張強度が８００ＭＰａ以上、外径が４０６ｍｍ以上、かつ肉厚が１０ｍｍ以上の高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法において、鋼板を管状に成形後、突合わせ部を仮付け溶接後、拡散性水素量が２０ｍｌ／１００ｇ以下の溶接フラックスを用い、シ−ム溶接金属の引張強度が１４００ＭＰａ以下、かつ母材の引張強度の０．８倍〜１．４倍の条件で鋼管の内面および外面をサブマージアーク溶接によるシーム溶接を行い、この溶接終了時から３０分以上経過した後に、拡管率が５％以下の条件で拡管成形することを特徴とする高強度ＵＯＥ鋼管の製造方法。
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