JP4082464B2 - 高強度高靭性大径溶接鋼管の製造方法 - Google Patents
高強度高靭性大径溶接鋼管の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラインパイプに用いられる大径溶接鋼管の製造方法に関し、とくに大径溶接鋼管の溶接部の強度、靱性および割れ特性の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用原燃料として採掘される原油や天然ガス、或いはそれらを精製して得られた液体もしくは気体、或いはその他の液体、気体、スラリーなどを大量輸送する手段としてパイプラインが用いられていることは良く知られている。このパイプラインは産業用原燃料の大量輸送の方法として極めて効果的な手段であり、パイプライン用としてより厳しい環境に耐え得るラインパイプが要求されている。
【０００３】
このラインパイプには、大径のＵＯＥ鋼管が使用されている。しかも最近は、これらエネルギの供給地が寒冷地、あるいは海底など多岐にわたり、ラインパイプに要求される特性も高度なものになっている。
特に、寒冷地に敷設されるラインパイプには、強度と同時に優れた低温靱性を具備することが要求されている。また、ガスパイプラインにおいては、輸送効率を向上させるために、管内の輸送圧カを増加させる傾向にあり、これに伴い、ラインパイプには、高強度化が要求されている。これらの要求に応えるべく鋼材および溶接材料の開発は続けられており、ＵＯＥ鋼管はＸ50級の強度から、徐々にグレードを上げて、現在Ｘ70級までの鋼管が実用化されている。
【０００４】
これらのＸ70級までのＵＯＥ鋼管では、溶接部の強度、靱性向上のため、いずれ溶接金属中にTi、Ｂ、Moを適正量添加している。これにより溶接金属の組織をアシキュラーフェライト主体の組織としている。アシキュラーフェライト組織は結晶粒が微細であるため、溶接金属は高強度と高靱性が得られることになる。
例えば、特公昭57-17637号公報では、溶接ワイヤにTi、Ｂ、Moを添加して溶接金属の成分調整を行ない、溶接金属を微細組織とし、高靱性溶接金属を得る潜弧溶接法が提案されている。
【０００５】
また、特開昭63-2588号公報には、現地溶接性に優れた溶接鋼管が開示されている。この溶接鋼管は鋼管素材の化学組成(Ｐcm)を低くおさえ、溶接金属の化学組成、とくにTi、Ｂ、Mo量を規制したもので、現地における比較的小入熱溶接によって形成された溶接金属、再熱熱影響部においても低硬度が得られ耐食性と高靱性を兼備するパイプとするものである。
【０００６】
また、特開平3-285770号公報には、円周溶接時に形成される溶接金属、再熱熱影響部においても低硬度が得られるように鋼管素材、溶接金属の化学組成、とくにTiをAl、Ｏ、Ｎとのバランスで含有させ、耐サワーガス性に優れた大径鋼管とする大径鋼管の製造方法が提案されている。この方法では溶接金属をアシキュラーフェライトになるように成分規制している。
【０００７】
これらは、いずれも溶接金属の化学組成等を規定することにより、溶接金属を低硬度化させつつＸ60〜70級までの大径鋼管の製造を可能にしたものである。しかしながら、ラインパイプの高強度化の要求はさらに強まっており、Ｘ100級までの高強度が検討されるようになっている。
【０００８】
鋼管を高強度化するにあたり最大の問題は、鋼管溶接部に発生する割れをいかに防止するかである。溶接部の割れとしては、高温割れ、低温割れがある。高温割れは、溶接時に、約1000℃以上の温度域で生じる割れであり、Ｐ、Ｓ、Niなどの低融点化合物が結晶粒界に形成されることによる結晶粒界割れである。また低温割れは、溶接後の冷却途中や冷却後に発生する割れであり、HAZ部や溶接金属に発生し、拡散性水素量と合金元素量の増加および拘束引張応力が存在することによって生じる。したがって、高温割れ、低温割れともに、溶接金属の合金元素量が増加するに伴い増加することになる。また、溶接後に再加熱を受けた場合に生じる再熱割れについても、Cr、Mo、Ｖなどの合金元素量が増加するにともない、割れが生じやすくなる。
【０００９】
強度を増加させるために単純に合金元素を増加するのみでは、割れの発生を防止することは非常に困難となる。このように、Ｘ100級の高強度を有する鋼管を製造するにあたり、割れを発生させることなくシーム溶接部の溶接金属の強度、靱性を確保することが非常に難しく、未だ有効な解決策を得るまでに至っていないのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたもので、Ｘ100級の高強度と−20℃におけるシャルピー衝撃試験吸収エネルギ、VＥ-20が80Ｊ以上の高靱性を有する大径溶接鋼管の製造方法を提供すること目的とする。
本発明は、鋼板の化学組成と鋼板加工後の内面および外面の１パス潜弧溶接による溶接金属の化学組成を限定することにより、Ｘ100級の高強度と、かつVＥ-20が80Ｊ以上の高靭性を有する大径溶接鋼管の製造を可能にしたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の基礎となった実験結果について説明する。
板厚20mmのＸ100級厚鋼板を、低酸素系フラックスとTi量の異なる低炭素系溶接ワイヤを用い、開先形状をＸ開先とし、両側一層のサブマーアーク溶接(3電極、溶接速度1200mm/min)を行い溶接部を作製した。この溶接金属について、組織観察、シャルピー衝撃試験および引張試験を実施した。試片は、溶接金属垂直断面部分の凝固会合部を中心位置として採取した。
【００１２】
本実験により得られた溶接金属中の酸素量と溶接金属の強度靱性の関係を図１に示す。溶接金属中の酸素量が増加した場合、溶接金属中の介在物を増加させ、溶接金属の強度は低下し、靭性も低下する。また、酸素量が少なすぎても溶接金属の靱性は低下する。このように溶接金属の酸素量は、0.011〜0.038％の範囲とすることが必要である。溶接金属中の酸素量は、溶接用フラックスと密接な関係があることはよく知られており、本発明では、溶接金属中の酸素量を適正量とするため、低酸素系溶接フラックスを用いる。
【００１３】
図２に溶接金属中のTi含有量とアシキュラーフェライト率の関係を示す。
図３に溶接金属中のTi含有量とVＥ-20の関係を示す。
図２からわかるように、Tiの微量添加でアシキュラーフェライト量が増加し、溶接金属の組織をアシキュラーフェライトを主体とする組織とすることができ、しかも図２、図３からわかるように、Ti含有量を0.007〜0.028％とすることによりアシキュラーフェライト率が55％以上となり、VＥ-20が80Ｊ以上の高靱性が得られる。降伏強さはいずれもＸ100級の強度となっている。
【００１４】
すなわち、従来のＸ70級までの鋼管においては、アシキュラーフェライトを生成させるために、多量のTiが必要とされていたが、Ｘ100級では、Tiを0.007％以上の微量添加すればアシキュラーフェライト組織が得られ、しかも高靱性が得られることになる。しかし、0.028％を超えると靱性が劣化する。このようにＸ100級の溶接金属中のTi含有量あるいはＯ含有量には、最適な範囲があるという知見を得た。しかし、Ti含有量あるいはＯ含有量が上記最適範囲内でも靱性が劣化する場合が見られた。
【００１５】
溶接金属の強度と靱性は、含有する合金元素量により大きく変化することは良く知られて、合金元素量をＰcm値で整理する場合が多いが、本発明者らはＰcm値に影響する元素以外に、上記したようにTiとＯの影響が大きいことに着目し、Ti、Ｏそれぞれ単独ではなくTi、Ｏおよび他の合金元素により規定されるパラメータが適正範囲内となったときのみ、強度が高いにもかかわらず靱性が向上することを見い出した。すなわち、図４に示されるように、ＰWM=Ｐcm＋3.19Ti−1.02Ｏが0.18〜0.33となるときのみ、Ｘ100級の強度とVＥ-20が80Ｊ以上という高強度と高靱性を有する溶接金属を得ることを新規に見い出したのである。
【００１６】
すなわち、本発明は、重量％で、Ｃ:0.05〜0.10％、Si:0.1〜0.5％、Mn:1.2〜2.5％、Ｐ:0.010％以下、Ｓ:0.008％以下、Al:0.1％以下、Ti:0.008〜0.055％、Nb:0.1％以下、Ｖ:0.1％以下、Ｎ:0.010％以下、Ｏ:0.0035％以下を含み、さらに、Cu:0.2〜2.0％、Ni:0.2〜2.0％、Cr:0.2〜2.0％およびMo:0.05〜2.0％のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有し、かつ残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼板をＵＯ加工により成形したのち、重量％で、SiO 2 :20〜35％、MnO:3〜10％、CaO:10〜25％、MgO:2〜7％、CaF 2 :25〜40％、Al 2 O 3 :3〜14％、BaO:0〜5％からなる低酸素系フラックスおよび重量％で、Ｃ:0.01〜0.10％を含有する低炭素系溶接ワイヤを用いて、内面ついで外面から１パス潜弧溶接を施し、さらに拡管して大径溶接鋼管とする大径溶接鋼管の製造方法において、前記１パス潜弧溶接により得られる溶接金属が、重量％で、Ｃ:0.02〜0.10％、Si:0.1〜0.6％、Mn:1.0〜2.7％、Ｐ:0.02％以下、Ｓ:0.02％以下、Al:0.02％以下、Ti:0.007〜0.028％、Ｖ:0.1％以下、Nb:0.06％以下、Ｎ:0.01％以下、Ｏ:0.011〜0.038％を含み、さらにCu:1.0％以下、Ni:2.0％以下、Cr:1.0％以下、Mo:1.0％以下、Ｂ:0.01％以下のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有し、さらに下記ＰWMが0.18〜0.33であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつアシキュラーフェライトが面積率で55％以上である組織を有する溶接金属であることを特徴とする高強度高靱性大径溶接鋼管の製造方法である。
ＰWM=Ｐcm＋3.19Ti−1.02Ｏ
Ｐcm=Ｃ＋Si/30＋(Mn＋Cu＋Cr)/20＋Ni/60＋Mo/15＋Ｖ/10＋5Ｂ
【００１７】
また、本発明は、重量％で、Ｃ:0.05〜0.10％、Si:0.1〜0.5％、Mn:1.2〜2.5％、Ｐ:0.010％以下、Ｓ:0.008％以下、Al:0.1％以下、Ti:0.008〜0.055％、Nb:0.1％以下、Ｖ:0.1％以下、Ｎ:0.010％以下、Ｏ:0.0035％以下を含み、さらに、Cu:0.2〜2.0％、Ni:0.2〜2.0％、Cr:0.2〜2.0％およびMo:0.05〜2.0％のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼板を、ＵＯ加工により成形したのち、重量％で、SiO 2 :20〜35％、MnO:3〜10％、CaO:10〜25％、MgO:2〜7％、CaF 2 :25〜40％、Al 2 O 3 :3〜14％、BaO:0〜5％からなる低酸素系フラックスおよび重量％で、Ｃ:0.01〜0.10％を含有する低炭素系溶接ワイヤを用いて、内面ついで外面から１パス潜弧溶接を施し、さらに拡管して大径溶接鋼管とする大径溶接鋼管の製造方法において、前記１パス潜弧溶接により得られる溶接金属が、重量％で、Ｃ:0.02〜0.10％、Si:0.1〜0.6％、Mn:1.0〜2.7％、Ｐ:0.02％以下、Ｓ:0.02％以下、Al:0.02％以下、Ti:0.007〜0.028％、Ｖ:0.1％以下、Nb:0.06％以下、Ｎ:0.01％以下、Ｏ:0.011〜0.038％を含み、さらにCu:1.0％以下、Ni:2.0％以下、Cr:1.0％以下、Mo:1.0％以下、Ｂ:0.01％以下のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有し、さらに下記ＰWMが0.18〜0.33であり、さらに下記Ｐrhが2.8未満を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつアシキュラーフェライトが面積率で55％以上である組織を有する溶接金属であることを特徴とする高強度高靱性大径溶接鋼管の製造方法である。
ＰWM=Ｐcm＋3.19Ti−1.02Ｏ
Ｐcm=Ｃ＋Si/30＋(Mn＋Cu＋Cr)/20＋Ni/60＋Mo/15＋Ｖ/10＋5Ｂ
Ｐrh=Cr＋Cu＋Ni＋2Mo＋10Ｖ＋7Nb＋5Ti
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明はラインパイプに用いられる大径溶接鋼管の製造方法に関し、特に大径溶接鋼管の溶接部の強度・靱性および割れ特性の改善に関する。ラインパイプは産業用原料の大量輸送の方法として極めて有効な手段であり、パイプライン用としてより厳しい環境に耐え得るラインパイプが要求されている。
本発明は高強度かつ高靱性を有する大径溶接鋼管の製造を可能したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
まず、本発明に用いる鋼板の化学成分の限定理由について説明する。
Ｃ：0.05〜0.10％
Ｃは、鋼板の強度を確保するうえでは最も重要な元素の１つであり、0.05％未満では必要強度が得られない。しかし、0.10％を超えると溶接部の炭素量が増加して溶接部が極めて割れやすくなり、また溶接部の靱性をそこなうのでＣは0.05〜0.10％の範囲とした。
【００２０】
Si：0.1〜0.5％
Siは、脱酸上必要な元素であり、0.1％は必要である。しかし、0.5％を超えると母材の靱性を劣化させるため、Siは0.1〜0.5％の範囲とした。
Mn：1.2〜2.5％
Mnは、鋼板および溶接金属の強度を確保するうえで最も重要な元素の１つであり、Ｘ100級の強度を得るためには1.2％は必要である。しかし、2.5％を超すと溶接部に高温割れを生じやすくなるために、Mnは1.2〜2.5％の範囲とした。
【００２１】
Ｐ：0.010％以下
Ｐは中心偏析を助長させ、さらに溶接部の高温割れを生じやすくする元素であり、できるだけ低減する。しかし、0.010％以下であれば許容できるため、0.010％を上限とした。
Ｓ：0.008％以下
Ｓは、介在物となり延性、靱性を低下させる。また溶接部の高温割れを生じやすくする元素であるため、できるだけ低減する。0.008％までは許容できるが、0.008％を超えると母材の靱性が劣化し、水素誘起割れが生じやすくなるため上限とした。
【００２２】
Al：0.1％以下
Alは、脱酸剤として作用し、さらに結晶粒を微細化させるが0.1％を超えるとHAZ靱性を劣化させ、硫化物応カ腐食割れ感受性を上げるために上限を0.1％とした。
Ti：0.008〜0.055％
Tiは、鋼中で微細なTiNを形成し、オーステナイト粒の粗大化を抑制して母材靱性およびHAZ靱性を改善する。このためにはTiは0.008％は必要である。しかし、Tiが0.055％を越えて含有されるとTi炭化物が形成されて靱性が劣化するため、上限を0.055％とした。
【００２３】
Nb：0.1％以下
Nbは、母材の強度を確保するために必要な元素であり、また優れたHAZ靱性を得るため必要であるが、0.1％を越えて添加すると母材の靱性を劣化するため0.1％を上限とした。なお、Nbは溶接金属の靱性確保の.点から0.01〜0.05％の範囲が好ましい。
Ｖ：0.1％以下
Ｖは、母材の強度を確保するために添加するが、0.1％を超えて添加すると母材の靱性を劣化させるため0.1％を上限とした。なお、Ｖは好ましくは0.01〜0.05％の範囲である。
【００２４】
Ｎ：0.010以下％
Ｎ含有量が0.010％を越えると母材から溶接金属に溶け込む量が増し、溶接金属のＮ含有量を増加させ、溶接金属の靱性を劣化させるため0.010％を上限とした。なお、好ましくは0.004％以下である。
Ｏ：0.0035％以下
Ｏは、鋼板においては、介在物となり靱性を劣化させる元素であり、低いほうが好ましい。0.0035％を超えて含有する場合、靱性を劣化させるばかりか、硫化物応力腐食割れを起こしやすくするため0.0035％を上限とした。
【００２５】
上記基本成分に加えて、下記の元素を任意成分として添加できる。
Cu：0.2〜2.0％
Cuは強度増加の点から重要な元素であり、必要に応じ添加する。強度の増加は、0.2％以上の添加で認められる。しかし、2.0％を超えて添加すると靱性が劣化するため2.0％を上限とした。
Ni：0.2〜2.0％
Niは強度と靱性をともに向上させる元素であり、必要に応じ添加する。強度・靱性の改善効果が認められるのは0.2％以上添加した場合であり、2.0％を超えると母材からの希釈により溶接金属の高温割れを起こしやすくなるため、2.0％を上限とした。
【００２６】
Cr：0.2〜2.0％
Crは強度増加の点から重要な元素である。強度増加のためには0.2％以上の添加が必要である。しかし、2.0％を超えて添加すると靱性が劣化するため、Crは0.2〜2.0％の範囲とした。
Mo：0.05〜2.0％
Moは強度増加の点から重要な元素である。強度増加のためには0.05％以上の添加が必要である。しかし、2,0％を超えて添加すると靱性が劣化するため、Moは0.05〜2.0％の範囲とした。
【００２７】
本発明は、上記組成の鋼板をＵ加工およびＯ加工によりパイプ形状に成形したのち、低酸素系フラックスおよび低炭素系溶接ワイヤを用いて、シーム部を内面ついで外面から潜弧溶接(サブマージアーク溶接)により一層溶接する。ついで拡管し大径溶接鋼管とする。パイプ形状への成形は通常のＵＯ加工装置を用いて行う。
【００２８】
サブマージアーク溶接は、溶接の効率を上げるために多電極方式(好ましくは3〜4電極)による一層溶接が望ましい。開先形状はＸ開先が望ましく、溶接金属における母材の希釈率は、約50〜75％とすることが望ましい。
さらにフラックスは、低酸素系のフラックスを使用する。本発明に沿う溶接金属を得るためには、溶接金属中の酸素量をコントロールすることが非常に重要になる。溶接金属中の酸素量が増加すると、溶接金属の強度は低下する。また、酸素量が多くなると、溶接金属中の介在物が増加する。酸素量が少な過ぎても溶接金属の靱性が低下することから、これらのバランスを考慮して、溶接金属の酸素量が0.011〜0.038％の範囲となるフラックスを選定する。
【００２９】
本発明に使用できるフラックスとしては、つぎのような組成範囲のものとする。低酸素系フラックスは、SiO2:20〜35％、MnO:3〜10％、CaO:10〜25％、MgO:2〜7％、CaF2:25〜40％、Al2O3:3〜14％、BaO:0〜5％からなるものが、Ｘ100級の溶接にはとくに好ましい。また、溶接金属へ合金元素を含有させるために、溶接フラックスに必要量添加してもよい。
【００３０】
溶接ワイヤは、特にNi、Cr、Moを含有し、Ｃ:0.01〜0.10％を含有する低炭素系の溶接ワイヤを使用する。本発明では、溶接金層の化学成分を特定の範囲に限定することにより、溶接部を含めて高強度、高靱性を有する大径溶接鋼管の製造を可能にしたのである。溶接金属の化学組成は、供試鋼板、溶接ワイヤ、溶接用フラックスおよび溶接条件により決定されるものであり、溶接ワイヤのみの化学組成では決定できないが、溶接ワイヤの望ましい化学組成は、Ｃ:0.01〜0.10％、Si:0.5％以下、Mn:1.2〜3.5％、Ｐ:0.02％以下、Ｓ:0.02％以下、Ni:4.0％以下、Cr:1.5％以下、Mo:1.5％以下、Ti:0.15％以下、Ｎ:0.01％以下、Ｏ:0.01％以下である。その限定理由を以下に説明する。
【００３１】
Ｃ：0.01〜0.10％
Ｃは、溶接金属の強度を確保するうえでは最も重要な元素の１つであり、0.01％未満では必要強度が得られない。しかし、0.10％を超えると溶接部の炭素量が増加して溶接部が極めて割れやすくなるばかりか靱性を損なうので0.01〜0.10％の範囲が好ましい。
Si：0.5％以下
Siは、0.5％を超えて添加すると、溶接金属が割れやすくなるために望ましい上限は0.5％である。
【００３２】
Mn：1.2〜3.5％
Mnも溶接金属の強度を確保するうえで最も重要な元素の１つであり、Ｘ100級の強度を得るためには1.2％は必要である。しかし、3.5％を超すと溶接金属の高温割れが生じやすくなるために1.2〜3.5％の範囲が望ましい。
Ｐ、Ｓ：0.02％以下
Ｐ、Ｓともに不純物であり、低いことが好ましいが、0.02％まで許容できる。
Ni：4.0％以下
Niは、溶接金属の強度と靱性を向上させる元素である。しかし、4.0％を超えると溶接部に高温割れを起こしやすくなるため望ましい上限は4.0％である。さらに、Niは、0.2〜1.5％の範囲が好ましい。
【００３３】
Cr：1.5％以下
Crは、溶接金属の強度増加の点から重要な元素であるが、1.5％を超える添加は焼入性が増加して割れ感受性が増加するため、望ましい上限値は1.5％である。なお、Crは、0.1〜0.6％の範囲が好ましい。
Mo：1.5％以下
Moは、溶接金属の強度増加の点から重要な元素であるが、1.5％を超える添加は焼入性が増加して割れ感受性が増加するため、望ましい上限値は1.5％である。なお、Moは、0.1〜0.5％の範囲が好ましい。
【００３４】
Ti：0.15％以下
Tiは、溶接金属の強度と靱性を確保するうえで最も重要な元素の１つであり、Ｘ100級の溶接金属を得るためには不可欠の成分である。Tiの添加により、溶接金属の組成をアシキュラーフェライトとする。しかし、0.15％を超えると靱性が劣化するため0.15％以下が望ましい。なお、組織をアシキュラーフェライトとするためには、少なくともTiの添加は0.01％以上が必要であり、好ましくは0.01〜0.07％の範囲である。
Ｎ：0.01％以下
Ｎは、溶接金属の靱性を劣化させるため、ワイヤのＮ量は0.01％以下が望ましい。
Ｏ：0.01％以下
Ｏは、溶接金属の強度と靱性と密接な関係があるが、特に溶接金属中の酸素量は、主としてフラックスにより決定されるため、溶接ワイヤ中の酸素量は0.01％以下の範囲であれば問題ない。
【００３５】
つぎに、上記した溶接フラックス、溶接ワイヤを用いてサブマージアーク溶接により得られる溶接金属の化学組成の限定理由について説明する。
Ｃ：0.02〜0.10％
Ｃは、溶接金属の強度を確保するうえでは最も重要な元素の１つであり、0.02％未満では必要強度が得られない。しかし、0.10％を超えると溶接部の炭素量が増加して溶接部が極めて割れやすくなるばかりか靱性を損なうので0.02〜0.10％の範囲とした。
Si：0.1〜0.6％
Siは、溶接金属の強度を高めるのに寄与するが、過剰となり過ぎると靱性が劣化し、溶接金属が割れやすくなるために、Siは、0.1〜0.6％の範囲とした。
【００３６】
Mn：1.0〜2.7％
Mnも溶接金属の強度を確保するうえでは最も重要な元素の１つであり、Ｘ100級の強度を得るためには1.0％は必要である。しかし、2.7％を超すと溶接金属の高温割れが生じやすくなるために、1.0〜2.7％の範囲とした。
Ｐ：0.02％以下
Ｐは不純物であり、低いことが好ましいが、0.02％まで許容できるため0.02％を上限とした。
Ｓ：0.02％以下
Ｓは不純物であり、好ましくは、できるだけ低減するが、0.02％まで許容できるため0.02％を上限とした。
【００３７】
Al：0.02％以下
Alは溶接金属の脱酸剤として作用するが、0.02％を超えると溶接金属の靱性を劣化させるので0.02％以下とした。
Ti：0.007〜0.028％
Tiは、溶接金属の高強度化と高靱性化を達成するうえで重要な元素である。Tiの微量添加は、溶接金属をアシキュラーフェライト主体の組織とするために必須である。0.007％以上の添加により上記した組織とすることができる。しかし、0.028％を超えると、Tiが過剰になり、溶融金属の組織にベイナイトが増加し、靱性が劣化する。このためTiは0.007〜0.028％の範囲とした。
【００３８】
Ｖ：0.1％以下
Ｖは、溶接金属の強度増加に有効な元素であるが、0.1％を超えると溶接金属の焼入性が増加して靱性が劣化するため、0.1％を上限とした。
Nb：0.06％以下
Nbは、溶接材料からではなく、母材の希釈により溶接金属へ含有されるが、溶接金属の靱性の点から低いほうが好ましいため、0.06％を上限とする。なお、Nbは、強度の増加が0.01％以上で著しくなるため、好ましくは0.01〜0.03％の範囲である。
Ｎ：0.01％以下
Ｎは、溶接金属の靱性を劣化させるため、低いほうが好ましいが、0.01％まで許容できるため0.01％を上限とした。
【００３９】
Ｏ：0.011〜0.038％
Ｏは、溶接金属の強度と靱性に大きな影響を与える。Ｏが0.011％未満では溶接金属の靭性が低下し、また、0.038％を超えると溶接金属中の介在物が増加し、靱性が劣化するため、Ｏは0.011〜0.038％の範囲とした。
Cu：1.0％以下、Ni：2.0％以下、Cr：1.0％以下、Mo：1.0％以下、Ｂ：0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Cu、Ni、Cr、Mo、Ｂはいずれも溶接金属の強度増加に有効な元素であり、必要に応じて含有させる。なお、耐割れ性がより高く要求される場合には、任意添加元素量を厳しく制限する。
Cuは0.3％以上で強度増加が顕著になるが、1.0％を超えると溶接金属に凝固割れが著しく生じやすくなるため、1.0％以下とした。なお、好ましくは0.3〜1.0％の範囲である。耐割れ性を重視する場合には、添加量は最小限とするのが望ましい。耐割れ性の点からCuの望ましい含有量の範囲は0.5％以下である。
Niは含有量が0.4％以上で強度増加が顕著になるが、2.0％を超えると溶接金属に高温割れや硫化物応カ腐食割れが生じやすくなるため、2.0％以下とした。なお、好ましくは、0.4〜1.2％の範囲である。耐割れ性を重視する場合には、添加量を最小限とするのが望ましい。耐割れ性の点からNiの望ましい範囲は0.2〜0.8％である。
【００４０】
Crは含有量が0.1％以上で強度増加が著しくなるが、1.0％を超えると靱性が劣化するため、Crは1.0％以下とした。なお、好ましくは、0.15〜0.5％の範囲である。耐割れ性を重視する場含には、添加量は最小限とするのが望ましい。耐割れ性の点からCrの望ましい範囲は0.3％以下である。
Moは含有量が0.05％以上で強度増加が顕著になるが1.0％を超えると靭性が劣化するため、Moは1.0％以下とした。なお、好ましくは、0.2〜0.9％の範囲である。耐割れ性を重視する場合には、0.8％を超えると割れ感受性が増加するため0.05〜0.8％の範囲が好ましい。
Ｂは含有量が0.001％以上の含有量で顕著にその効果が認められるが0.01％を超えると靭性が劣化するため、Ｂは0.01％以下とした。なお好ましくは0.001〜0.005％の範囲である。
【００４１】
溶接金属の組織は、アシキュラーフェライトが面積率で55％以上の組織とする。アシキュラーフェライトの面積率が55％以上では、Ｘ100級の高強度でも高靱性が得られるが、55％未満では、靱性が劣化するため、55％を下限とした。
ＰWM=Ｐcm＋3.19Ti−1.02Ｏで定義されるＰWMが0.18〜0.33の範囲とする。Ｐcmは
Ｐcm=Ｃ＋Si/30＋(Mn＋Cu＋Cr)/20＋Ni/60＋Mo/15＋Ｖ/10＋5Ｂ
で定義される。なお、ここではＣ、Si等の値はwt%の値を使用する。
【００４２】
ＰWMは、強度と靱性を推定できる指標である。ＰWMが0.18未満では、溶接金属の強度がＸ100級とならず不足し、PWMが0.33を超えると、靱性が劣化するためＰWMは、0.18〜0.33の範囲とした。
耐割れ性を要求される場合には、とくに割れが発生しやすい溶接金属の化学組成をＰrh=Cr＋Cu＋Ni＋2Mo＋10Ｖ＋7Nb＋5Tiで定義される割れ感受性パラメータＰrhを2.8未満に限定する。
シーム溶接部の内面側の溶接金属は、外面溶接により硬化し、割れが発生しやすくなる。本発明では、溶接金属の化学組成を、Ｐrhで2.8未満に限定する。図５に示すようにＰrhを2.8未満とすることにより、硬化量が低減し、割れ感受性が低く抑えられる。
【実施例】
【００４３】
表１に示す化学組成を有する板厚20mmの厚鋼板をＵプレス、Ｏブレスにより成形したのち、表２に示す低炭素系溶接ワイヤ、および表３に示す低酸素高塩基性フラックスを用い、4電極サブマージアーク溶接により表４に示す溶接条件で内面側、ついで外面側のシーム溶接を行い、ついで拡管し内径750mmの大径溶接鋼管を製造した。なお、溶接金属の化学組成を調整するために、フラックス中に金属粉末を混合した。
【００４４】
シーム溶接部の溶接金属について、内面側溶接金属中央部から分析試料を採取し、溶接金属の化学組成を調査した。その結果を表５に示す。また、シーム溶接部の溶接金属から、引張試験片(6mmφJIS A2号試験片)、衝撃試験片(JIS 4号)を採取し、引張強さおよび−20℃での吸収エネルギを求め、表６に示した。さらに、溶接部から試験片を採取し、溶接金属の断面について、光学顕微鏡観察により溶接金属の組織を調査し、さらに、溶接部の断面硬さを内面ビード中央について測定(ビッカース硬度10kg荷重)し最高硬さを求め、表６に併せて示した。
【００４５】
本発明例の溶接金属は、VＥ-20が80Ｊ以上で、引張強度が760MPa以上を満足し、Ｘ100級の特性を十分に有している。また、本発明例の溶接金属は、Ｈmaxも低く割れ感受性が低い。
また、比較例は、いずれも化学組成が本発明の範囲外で、VＥ-20が80Ｊ未満か、引張強度が760MPa以下となっており、Ｘ100級鋼管の溶接部として不適である。比較例は、強度、靱性が良くても溶接部の最高硬さが高くなっている。
以上説明したように本発明の方法によれば、Ｘ100級の強度と同時に優れた低温靱性を有する大径溶接鋼管が製造でき、厳しい環境下に敷設されるパイプラインに使用できるラインパイプを安定して供給できる工業的効果は大である。
【００４６】
【表１】
【００４７】
【表２】
【００４８】
【表３】
【００４９】
【表４】
【００５０】
【表５】
【００５１】
【表６】
【図面の簡単な説明】
【００５２】
図１は溶接金属中の酸素量と溶接金属の引張強さと−20℃における吸収エネルギ(VＥ-20)の関係を示すグラフである。
図２は溶接金属のTi含有量とアシキュラーフェライト量の関係を示すグラフである。
図３は溶接金属のTi含有量と−20℃における吸収エネルギ(VＥ-20)の関係を示すグラフである。
図４は溶接金属のＰWMと引張強さ、−20℃における吸収エネルギ(VＥ-20)の関係を示すグラフである。
図５は溶接金属の硬さ増加量と割れ感受性パラメータＰrhの関係を示すグラフである。
【０００１】
本発明は、ラインパイプに用いられる大径溶接鋼管の製造方法に関し、とくに大径溶接鋼管の溶接部の強度、靱性および割れ特性の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用原燃料として採掘される原油や天然ガス、或いはそれらを精製して得られた液体もしくは気体、或いはその他の液体、気体、スラリーなどを大量輸送する手段としてパイプラインが用いられていることは良く知られている。このパイプラインは産業用原燃料の大量輸送の方法として極めて効果的な手段であり、パイプライン用としてより厳しい環境に耐え得るラインパイプが要求されている。
【０００３】
このラインパイプには、大径のＵＯＥ鋼管が使用されている。しかも最近は、これらエネルギの供給地が寒冷地、あるいは海底など多岐にわたり、ラインパイプに要求される特性も高度なものになっている。
特に、寒冷地に敷設されるラインパイプには、強度と同時に優れた低温靱性を具備することが要求されている。また、ガスパイプラインにおいては、輸送効率を向上させるために、管内の輸送圧カを増加させる傾向にあり、これに伴い、ラインパイプには、高強度化が要求されている。これらの要求に応えるべく鋼材および溶接材料の開発は続けられており、ＵＯＥ鋼管はＸ50級の強度から、徐々にグレードを上げて、現在Ｘ70級までの鋼管が実用化されている。
【０００４】
これらのＸ70級までのＵＯＥ鋼管では、溶接部の強度、靱性向上のため、いずれ溶接金属中にTi、Ｂ、Moを適正量添加している。これにより溶接金属の組織をアシキュラーフェライト主体の組織としている。アシキュラーフェライト組織は結晶粒が微細であるため、溶接金属は高強度と高靱性が得られることになる。
例えば、特公昭57-17637号公報では、溶接ワイヤにTi、Ｂ、Moを添加して溶接金属の成分調整を行ない、溶接金属を微細組織とし、高靱性溶接金属を得る潜弧溶接法が提案されている。
【０００５】
また、特開昭63-2588号公報には、現地溶接性に優れた溶接鋼管が開示されている。この溶接鋼管は鋼管素材の化学組成(Ｐcm)を低くおさえ、溶接金属の化学組成、とくにTi、Ｂ、Mo量を規制したもので、現地における比較的小入熱溶接によって形成された溶接金属、再熱熱影響部においても低硬度が得られ耐食性と高靱性を兼備するパイプとするものである。
【０００６】
また、特開平3-285770号公報には、円周溶接時に形成される溶接金属、再熱熱影響部においても低硬度が得られるように鋼管素材、溶接金属の化学組成、とくにTiをAl、Ｏ、Ｎとのバランスで含有させ、耐サワーガス性に優れた大径鋼管とする大径鋼管の製造方法が提案されている。この方法では溶接金属をアシキュラーフェライトになるように成分規制している。
【０００７】
これらは、いずれも溶接金属の化学組成等を規定することにより、溶接金属を低硬度化させつつＸ60〜70級までの大径鋼管の製造を可能にしたものである。しかしながら、ラインパイプの高強度化の要求はさらに強まっており、Ｘ100級までの高強度が検討されるようになっている。
【０００８】
鋼管を高強度化するにあたり最大の問題は、鋼管溶接部に発生する割れをいかに防止するかである。溶接部の割れとしては、高温割れ、低温割れがある。高温割れは、溶接時に、約1000℃以上の温度域で生じる割れであり、Ｐ、Ｓ、Niなどの低融点化合物が結晶粒界に形成されることによる結晶粒界割れである。また低温割れは、溶接後の冷却途中や冷却後に発生する割れであり、HAZ部や溶接金属に発生し、拡散性水素量と合金元素量の増加および拘束引張応力が存在することによって生じる。したがって、高温割れ、低温割れともに、溶接金属の合金元素量が増加するに伴い増加することになる。また、溶接後に再加熱を受けた場合に生じる再熱割れについても、Cr、Mo、Ｖなどの合金元素量が増加するにともない、割れが生じやすくなる。
【０００９】
強度を増加させるために単純に合金元素を増加するのみでは、割れの発生を防止することは非常に困難となる。このように、Ｘ100級の高強度を有する鋼管を製造するにあたり、割れを発生させることなくシーム溶接部の溶接金属の強度、靱性を確保することが非常に難しく、未だ有効な解決策を得るまでに至っていないのである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる事情を鑑みてなされたもので、Ｘ100級の高強度と−20℃におけるシャルピー衝撃試験吸収エネルギ、VＥ-20が80Ｊ以上の高靱性を有する大径溶接鋼管の製造方法を提供すること目的とする。
本発明は、鋼板の化学組成と鋼板加工後の内面および外面の１パス潜弧溶接による溶接金属の化学組成を限定することにより、Ｘ100級の高強度と、かつVＥ-20が80Ｊ以上の高靭性を有する大径溶接鋼管の製造を可能にしたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の基礎となった実験結果について説明する。
板厚20mmのＸ100級厚鋼板を、低酸素系フラックスとTi量の異なる低炭素系溶接ワイヤを用い、開先形状をＸ開先とし、両側一層のサブマーアーク溶接(3電極、溶接速度1200mm/min)を行い溶接部を作製した。この溶接金属について、組織観察、シャルピー衝撃試験および引張試験を実施した。試片は、溶接金属垂直断面部分の凝固会合部を中心位置として採取した。
【００１２】
本実験により得られた溶接金属中の酸素量と溶接金属の強度靱性の関係を図１に示す。溶接金属中の酸素量が増加した場合、溶接金属中の介在物を増加させ、溶接金属の強度は低下し、靭性も低下する。また、酸素量が少なすぎても溶接金属の靱性は低下する。このように溶接金属の酸素量は、0.011〜0.038％の範囲とすることが必要である。溶接金属中の酸素量は、溶接用フラックスと密接な関係があることはよく知られており、本発明では、溶接金属中の酸素量を適正量とするため、低酸素系溶接フラックスを用いる。
【００１３】
図２に溶接金属中のTi含有量とアシキュラーフェライト率の関係を示す。
図３に溶接金属中のTi含有量とVＥ-20の関係を示す。
図２からわかるように、Tiの微量添加でアシキュラーフェライト量が増加し、溶接金属の組織をアシキュラーフェライトを主体とする組織とすることができ、しかも図２、図３からわかるように、Ti含有量を0.007〜0.028％とすることによりアシキュラーフェライト率が55％以上となり、VＥ-20が80Ｊ以上の高靱性が得られる。降伏強さはいずれもＸ100級の強度となっている。
【００１４】
すなわち、従来のＸ70級までの鋼管においては、アシキュラーフェライトを生成させるために、多量のTiが必要とされていたが、Ｘ100級では、Tiを0.007％以上の微量添加すればアシキュラーフェライト組織が得られ、しかも高靱性が得られることになる。しかし、0.028％を超えると靱性が劣化する。このようにＸ100級の溶接金属中のTi含有量あるいはＯ含有量には、最適な範囲があるという知見を得た。しかし、Ti含有量あるいはＯ含有量が上記最適範囲内でも靱性が劣化する場合が見られた。
【００１５】
溶接金属の強度と靱性は、含有する合金元素量により大きく変化することは良く知られて、合金元素量をＰcm値で整理する場合が多いが、本発明者らはＰcm値に影響する元素以外に、上記したようにTiとＯの影響が大きいことに着目し、Ti、Ｏそれぞれ単独ではなくTi、Ｏおよび他の合金元素により規定されるパラメータが適正範囲内となったときのみ、強度が高いにもかかわらず靱性が向上することを見い出した。すなわち、図４に示されるように、ＰWM=Ｐcm＋3.19Ti−1.02Ｏが0.18〜0.33となるときのみ、Ｘ100級の強度とVＥ-20が80Ｊ以上という高強度と高靱性を有する溶接金属を得ることを新規に見い出したのである。
【００１６】
すなわち、本発明は、重量％で、Ｃ:0.05〜0.10％、Si:0.1〜0.5％、Mn:1.2〜2.5％、Ｐ:0.010％以下、Ｓ:0.008％以下、Al:0.1％以下、Ti:0.008〜0.055％、Nb:0.1％以下、Ｖ:0.1％以下、Ｎ:0.010％以下、Ｏ:0.0035％以下を含み、さらに、Cu:0.2〜2.0％、Ni:0.2〜2.0％、Cr:0.2〜2.0％およびMo:0.05〜2.0％のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有し、かつ残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼板をＵＯ加工により成形したのち、重量％で、SiO 2 :20〜35％、MnO:3〜10％、CaO:10〜25％、MgO:2〜7％、CaF 2 :25〜40％、Al 2 O 3 :3〜14％、BaO:0〜5％からなる低酸素系フラックスおよび重量％で、Ｃ:0.01〜0.10％を含有する低炭素系溶接ワイヤを用いて、内面ついで外面から１パス潜弧溶接を施し、さらに拡管して大径溶接鋼管とする大径溶接鋼管の製造方法において、前記１パス潜弧溶接により得られる溶接金属が、重量％で、Ｃ:0.02〜0.10％、Si:0.1〜0.6％、Mn:1.0〜2.7％、Ｐ:0.02％以下、Ｓ:0.02％以下、Al:0.02％以下、Ti:0.007〜0.028％、Ｖ:0.1％以下、Nb:0.06％以下、Ｎ:0.01％以下、Ｏ:0.011〜0.038％を含み、さらにCu:1.0％以下、Ni:2.0％以下、Cr:1.0％以下、Mo:1.0％以下、Ｂ:0.01％以下のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有し、さらに下記ＰWMが0.18〜0.33であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつアシキュラーフェライトが面積率で55％以上である組織を有する溶接金属であることを特徴とする高強度高靱性大径溶接鋼管の製造方法である。
ＰWM=Ｐcm＋3.19Ti−1.02Ｏ
Ｐcm=Ｃ＋Si/30＋(Mn＋Cu＋Cr)/20＋Ni/60＋Mo/15＋Ｖ/10＋5Ｂ
【００１７】
また、本発明は、重量％で、Ｃ:0.05〜0.10％、Si:0.1〜0.5％、Mn:1.2〜2.5％、Ｐ:0.010％以下、Ｓ:0.008％以下、Al:0.1％以下、Ti:0.008〜0.055％、Nb:0.1％以下、Ｖ:0.1％以下、Ｎ:0.010％以下、Ｏ:0.0035％以下を含み、さらに、Cu:0.2〜2.0％、Ni:0.2〜2.0％、Cr:0.2〜2.0％およびMo:0.05〜2.0％のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼板を、ＵＯ加工により成形したのち、重量％で、SiO 2 :20〜35％、MnO:3〜10％、CaO:10〜25％、MgO:2〜7％、CaF 2 :25〜40％、Al 2 O 3 :3〜14％、BaO:0〜5％からなる低酸素系フラックスおよび重量％で、Ｃ:0.01〜0.10％を含有する低炭素系溶接ワイヤを用いて、内面ついで外面から１パス潜弧溶接を施し、さらに拡管して大径溶接鋼管とする大径溶接鋼管の製造方法において、前記１パス潜弧溶接により得られる溶接金属が、重量％で、Ｃ:0.02〜0.10％、Si:0.1〜0.6％、Mn:1.0〜2.7％、Ｐ:0.02％以下、Ｓ:0.02％以下、Al:0.02％以下、Ti:0.007〜0.028％、Ｖ:0.1％以下、Nb:0.06％以下、Ｎ:0.01％以下、Ｏ:0.011〜0.038％を含み、さらにCu:1.0％以下、Ni:2.0％以下、Cr:1.0％以下、Mo:1.0％以下、Ｂ:0.01％以下のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有し、さらに下記ＰWMが0.18〜0.33であり、さらに下記Ｐrhが2.8未満を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつアシキュラーフェライトが面積率で55％以上である組織を有する溶接金属であることを特徴とする高強度高靱性大径溶接鋼管の製造方法である。
ＰWM=Ｐcm＋3.19Ti−1.02Ｏ
Ｐcm=Ｃ＋Si/30＋(Mn＋Cu＋Cr)/20＋Ni/60＋Mo/15＋Ｖ/10＋5Ｂ
Ｐrh=Cr＋Cu＋Ni＋2Mo＋10Ｖ＋7Nb＋5Ti
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明はラインパイプに用いられる大径溶接鋼管の製造方法に関し、特に大径溶接鋼管の溶接部の強度・靱性および割れ特性の改善に関する。ラインパイプは産業用原料の大量輸送の方法として極めて有効な手段であり、パイプライン用としてより厳しい環境に耐え得るラインパイプが要求されている。
本発明は高強度かつ高靱性を有する大径溶接鋼管の製造を可能したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
まず、本発明に用いる鋼板の化学成分の限定理由について説明する。
Ｃ：0.05〜0.10％
Ｃは、鋼板の強度を確保するうえでは最も重要な元素の１つであり、0.05％未満では必要強度が得られない。しかし、0.10％を超えると溶接部の炭素量が増加して溶接部が極めて割れやすくなり、また溶接部の靱性をそこなうのでＣは0.05〜0.10％の範囲とした。
【００２０】
Si：0.1〜0.5％
Siは、脱酸上必要な元素であり、0.1％は必要である。しかし、0.5％を超えると母材の靱性を劣化させるため、Siは0.1〜0.5％の範囲とした。
Mn：1.2〜2.5％
Mnは、鋼板および溶接金属の強度を確保するうえで最も重要な元素の１つであり、Ｘ100級の強度を得るためには1.2％は必要である。しかし、2.5％を超すと溶接部に高温割れを生じやすくなるために、Mnは1.2〜2.5％の範囲とした。
【００２１】
Ｐ：0.010％以下
Ｐは中心偏析を助長させ、さらに溶接部の高温割れを生じやすくする元素であり、できるだけ低減する。しかし、0.010％以下であれば許容できるため、0.010％を上限とした。
Ｓ：0.008％以下
Ｓは、介在物となり延性、靱性を低下させる。また溶接部の高温割れを生じやすくする元素であるため、できるだけ低減する。0.008％までは許容できるが、0.008％を超えると母材の靱性が劣化し、水素誘起割れが生じやすくなるため上限とした。
【００２２】
Al：0.1％以下
Alは、脱酸剤として作用し、さらに結晶粒を微細化させるが0.1％を超えるとHAZ靱性を劣化させ、硫化物応カ腐食割れ感受性を上げるために上限を0.1％とした。
Ti：0.008〜0.055％
Tiは、鋼中で微細なTiNを形成し、オーステナイト粒の粗大化を抑制して母材靱性およびHAZ靱性を改善する。このためにはTiは0.008％は必要である。しかし、Tiが0.055％を越えて含有されるとTi炭化物が形成されて靱性が劣化するため、上限を0.055％とした。
【００２３】
Nb：0.1％以下
Nbは、母材の強度を確保するために必要な元素であり、また優れたHAZ靱性を得るため必要であるが、0.1％を越えて添加すると母材の靱性を劣化するため0.1％を上限とした。なお、Nbは溶接金属の靱性確保の.点から0.01〜0.05％の範囲が好ましい。
Ｖ：0.1％以下
Ｖは、母材の強度を確保するために添加するが、0.1％を超えて添加すると母材の靱性を劣化させるため0.1％を上限とした。なお、Ｖは好ましくは0.01〜0.05％の範囲である。
【００２４】
Ｎ：0.010以下％
Ｎ含有量が0.010％を越えると母材から溶接金属に溶け込む量が増し、溶接金属のＮ含有量を増加させ、溶接金属の靱性を劣化させるため0.010％を上限とした。なお、好ましくは0.004％以下である。
Ｏ：0.0035％以下
Ｏは、鋼板においては、介在物となり靱性を劣化させる元素であり、低いほうが好ましい。0.0035％を超えて含有する場合、靱性を劣化させるばかりか、硫化物応力腐食割れを起こしやすくするため0.0035％を上限とした。
【００２５】
上記基本成分に加えて、下記の元素を任意成分として添加できる。
Cu：0.2〜2.0％
Cuは強度増加の点から重要な元素であり、必要に応じ添加する。強度の増加は、0.2％以上の添加で認められる。しかし、2.0％を超えて添加すると靱性が劣化するため2.0％を上限とした。
Ni：0.2〜2.0％
Niは強度と靱性をともに向上させる元素であり、必要に応じ添加する。強度・靱性の改善効果が認められるのは0.2％以上添加した場合であり、2.0％を超えると母材からの希釈により溶接金属の高温割れを起こしやすくなるため、2.0％を上限とした。
【００２６】
Cr：0.2〜2.0％
Crは強度増加の点から重要な元素である。強度増加のためには0.2％以上の添加が必要である。しかし、2.0％を超えて添加すると靱性が劣化するため、Crは0.2〜2.0％の範囲とした。
Mo：0.05〜2.0％
Moは強度増加の点から重要な元素である。強度増加のためには0.05％以上の添加が必要である。しかし、2,0％を超えて添加すると靱性が劣化するため、Moは0.05〜2.0％の範囲とした。
【００２７】
本発明は、上記組成の鋼板をＵ加工およびＯ加工によりパイプ形状に成形したのち、低酸素系フラックスおよび低炭素系溶接ワイヤを用いて、シーム部を内面ついで外面から潜弧溶接(サブマージアーク溶接)により一層溶接する。ついで拡管し大径溶接鋼管とする。パイプ形状への成形は通常のＵＯ加工装置を用いて行う。
【００２８】
サブマージアーク溶接は、溶接の効率を上げるために多電極方式(好ましくは3〜4電極)による一層溶接が望ましい。開先形状はＸ開先が望ましく、溶接金属における母材の希釈率は、約50〜75％とすることが望ましい。
さらにフラックスは、低酸素系のフラックスを使用する。本発明に沿う溶接金属を得るためには、溶接金属中の酸素量をコントロールすることが非常に重要になる。溶接金属中の酸素量が増加すると、溶接金属の強度は低下する。また、酸素量が多くなると、溶接金属中の介在物が増加する。酸素量が少な過ぎても溶接金属の靱性が低下することから、これらのバランスを考慮して、溶接金属の酸素量が0.011〜0.038％の範囲となるフラックスを選定する。
【００２９】
本発明に使用できるフラックスとしては、つぎのような組成範囲のものとする。低酸素系フラックスは、SiO2:20〜35％、MnO:3〜10％、CaO:10〜25％、MgO:2〜7％、CaF2:25〜40％、Al2O3:3〜14％、BaO:0〜5％からなるものが、Ｘ100級の溶接にはとくに好ましい。また、溶接金属へ合金元素を含有させるために、溶接フラックスに必要量添加してもよい。
【００３０】
溶接ワイヤは、特にNi、Cr、Moを含有し、Ｃ:0.01〜0.10％を含有する低炭素系の溶接ワイヤを使用する。本発明では、溶接金層の化学成分を特定の範囲に限定することにより、溶接部を含めて高強度、高靱性を有する大径溶接鋼管の製造を可能にしたのである。溶接金属の化学組成は、供試鋼板、溶接ワイヤ、溶接用フラックスおよび溶接条件により決定されるものであり、溶接ワイヤのみの化学組成では決定できないが、溶接ワイヤの望ましい化学組成は、Ｃ:0.01〜0.10％、Si:0.5％以下、Mn:1.2〜3.5％、Ｐ:0.02％以下、Ｓ:0.02％以下、Ni:4.0％以下、Cr:1.5％以下、Mo:1.5％以下、Ti:0.15％以下、Ｎ:0.01％以下、Ｏ:0.01％以下である。その限定理由を以下に説明する。
【００３１】
Ｃ：0.01〜0.10％
Ｃは、溶接金属の強度を確保するうえでは最も重要な元素の１つであり、0.01％未満では必要強度が得られない。しかし、0.10％を超えると溶接部の炭素量が増加して溶接部が極めて割れやすくなるばかりか靱性を損なうので0.01〜0.10％の範囲が好ましい。
Si：0.5％以下
Siは、0.5％を超えて添加すると、溶接金属が割れやすくなるために望ましい上限は0.5％である。
【００３２】
Mn：1.2〜3.5％
Mnも溶接金属の強度を確保するうえで最も重要な元素の１つであり、Ｘ100級の強度を得るためには1.2％は必要である。しかし、3.5％を超すと溶接金属の高温割れが生じやすくなるために1.2〜3.5％の範囲が望ましい。
Ｐ、Ｓ：0.02％以下
Ｐ、Ｓともに不純物であり、低いことが好ましいが、0.02％まで許容できる。
Ni：4.0％以下
Niは、溶接金属の強度と靱性を向上させる元素である。しかし、4.0％を超えると溶接部に高温割れを起こしやすくなるため望ましい上限は4.0％である。さらに、Niは、0.2〜1.5％の範囲が好ましい。
【００３３】
Cr：1.5％以下
Crは、溶接金属の強度増加の点から重要な元素であるが、1.5％を超える添加は焼入性が増加して割れ感受性が増加するため、望ましい上限値は1.5％である。なお、Crは、0.1〜0.6％の範囲が好ましい。
Mo：1.5％以下
Moは、溶接金属の強度増加の点から重要な元素であるが、1.5％を超える添加は焼入性が増加して割れ感受性が増加するため、望ましい上限値は1.5％である。なお、Moは、0.1〜0.5％の範囲が好ましい。
【００３４】
Ti：0.15％以下
Tiは、溶接金属の強度と靱性を確保するうえで最も重要な元素の１つであり、Ｘ100級の溶接金属を得るためには不可欠の成分である。Tiの添加により、溶接金属の組成をアシキュラーフェライトとする。しかし、0.15％を超えると靱性が劣化するため0.15％以下が望ましい。なお、組織をアシキュラーフェライトとするためには、少なくともTiの添加は0.01％以上が必要であり、好ましくは0.01〜0.07％の範囲である。
Ｎ：0.01％以下
Ｎは、溶接金属の靱性を劣化させるため、ワイヤのＮ量は0.01％以下が望ましい。
Ｏ：0.01％以下
Ｏは、溶接金属の強度と靱性と密接な関係があるが、特に溶接金属中の酸素量は、主としてフラックスにより決定されるため、溶接ワイヤ中の酸素量は0.01％以下の範囲であれば問題ない。
【００３５】
つぎに、上記した溶接フラックス、溶接ワイヤを用いてサブマージアーク溶接により得られる溶接金属の化学組成の限定理由について説明する。
Ｃ：0.02〜0.10％
Ｃは、溶接金属の強度を確保するうえでは最も重要な元素の１つであり、0.02％未満では必要強度が得られない。しかし、0.10％を超えると溶接部の炭素量が増加して溶接部が極めて割れやすくなるばかりか靱性を損なうので0.02〜0.10％の範囲とした。
Si：0.1〜0.6％
Siは、溶接金属の強度を高めるのに寄与するが、過剰となり過ぎると靱性が劣化し、溶接金属が割れやすくなるために、Siは、0.1〜0.6％の範囲とした。
【００３６】
Mn：1.0〜2.7％
Mnも溶接金属の強度を確保するうえでは最も重要な元素の１つであり、Ｘ100級の強度を得るためには1.0％は必要である。しかし、2.7％を超すと溶接金属の高温割れが生じやすくなるために、1.0〜2.7％の範囲とした。
Ｐ：0.02％以下
Ｐは不純物であり、低いことが好ましいが、0.02％まで許容できるため0.02％を上限とした。
Ｓ：0.02％以下
Ｓは不純物であり、好ましくは、できるだけ低減するが、0.02％まで許容できるため0.02％を上限とした。
【００３７】
Al：0.02％以下
Alは溶接金属の脱酸剤として作用するが、0.02％を超えると溶接金属の靱性を劣化させるので0.02％以下とした。
Ti：0.007〜0.028％
Tiは、溶接金属の高強度化と高靱性化を達成するうえで重要な元素である。Tiの微量添加は、溶接金属をアシキュラーフェライト主体の組織とするために必須である。0.007％以上の添加により上記した組織とすることができる。しかし、0.028％を超えると、Tiが過剰になり、溶融金属の組織にベイナイトが増加し、靱性が劣化する。このためTiは0.007〜0.028％の範囲とした。
【００３８】
Ｖ：0.1％以下
Ｖは、溶接金属の強度増加に有効な元素であるが、0.1％を超えると溶接金属の焼入性が増加して靱性が劣化するため、0.1％を上限とした。
Nb：0.06％以下
Nbは、溶接材料からではなく、母材の希釈により溶接金属へ含有されるが、溶接金属の靱性の点から低いほうが好ましいため、0.06％を上限とする。なお、Nbは、強度の増加が0.01％以上で著しくなるため、好ましくは0.01〜0.03％の範囲である。
Ｎ：0.01％以下
Ｎは、溶接金属の靱性を劣化させるため、低いほうが好ましいが、0.01％まで許容できるため0.01％を上限とした。
【００３９】
Ｏ：0.011〜0.038％
Ｏは、溶接金属の強度と靱性に大きな影響を与える。Ｏが0.011％未満では溶接金属の靭性が低下し、また、0.038％を超えると溶接金属中の介在物が増加し、靱性が劣化するため、Ｏは0.011〜0.038％の範囲とした。
Cu：1.0％以下、Ni：2.0％以下、Cr：1.0％以下、Mo：1.0％以下、Ｂ：0.01％以下のうちから選ばれた１種または２種以上
Cu、Ni、Cr、Mo、Ｂはいずれも溶接金属の強度増加に有効な元素であり、必要に応じて含有させる。なお、耐割れ性がより高く要求される場合には、任意添加元素量を厳しく制限する。
Cuは0.3％以上で強度増加が顕著になるが、1.0％を超えると溶接金属に凝固割れが著しく生じやすくなるため、1.0％以下とした。なお、好ましくは0.3〜1.0％の範囲である。耐割れ性を重視する場合には、添加量は最小限とするのが望ましい。耐割れ性の点からCuの望ましい含有量の範囲は0.5％以下である。
Niは含有量が0.4％以上で強度増加が顕著になるが、2.0％を超えると溶接金属に高温割れや硫化物応カ腐食割れが生じやすくなるため、2.0％以下とした。なお、好ましくは、0.4〜1.2％の範囲である。耐割れ性を重視する場合には、添加量を最小限とするのが望ましい。耐割れ性の点からNiの望ましい範囲は0.2〜0.8％である。
【００４０】
Crは含有量が0.1％以上で強度増加が著しくなるが、1.0％を超えると靱性が劣化するため、Crは1.0％以下とした。なお、好ましくは、0.15〜0.5％の範囲である。耐割れ性を重視する場含には、添加量は最小限とするのが望ましい。耐割れ性の点からCrの望ましい範囲は0.3％以下である。
Moは含有量が0.05％以上で強度増加が顕著になるが1.0％を超えると靭性が劣化するため、Moは1.0％以下とした。なお、好ましくは、0.2〜0.9％の範囲である。耐割れ性を重視する場合には、0.8％を超えると割れ感受性が増加するため0.05〜0.8％の範囲が好ましい。
Ｂは含有量が0.001％以上の含有量で顕著にその効果が認められるが0.01％を超えると靭性が劣化するため、Ｂは0.01％以下とした。なお好ましくは0.001〜0.005％の範囲である。
【００４１】
溶接金属の組織は、アシキュラーフェライトが面積率で55％以上の組織とする。アシキュラーフェライトの面積率が55％以上では、Ｘ100級の高強度でも高靱性が得られるが、55％未満では、靱性が劣化するため、55％を下限とした。
ＰWM=Ｐcm＋3.19Ti−1.02Ｏで定義されるＰWMが0.18〜0.33の範囲とする。Ｐcmは
Ｐcm=Ｃ＋Si/30＋(Mn＋Cu＋Cr)/20＋Ni/60＋Mo/15＋Ｖ/10＋5Ｂ
で定義される。なお、ここではＣ、Si等の値はwt%の値を使用する。
【００４２】
ＰWMは、強度と靱性を推定できる指標である。ＰWMが0.18未満では、溶接金属の強度がＸ100級とならず不足し、PWMが0.33を超えると、靱性が劣化するためＰWMは、0.18〜0.33の範囲とした。
耐割れ性を要求される場合には、とくに割れが発生しやすい溶接金属の化学組成をＰrh=Cr＋Cu＋Ni＋2Mo＋10Ｖ＋7Nb＋5Tiで定義される割れ感受性パラメータＰrhを2.8未満に限定する。
シーム溶接部の内面側の溶接金属は、外面溶接により硬化し、割れが発生しやすくなる。本発明では、溶接金属の化学組成を、Ｐrhで2.8未満に限定する。図５に示すようにＰrhを2.8未満とすることにより、硬化量が低減し、割れ感受性が低く抑えられる。
【実施例】
【００４３】
表１に示す化学組成を有する板厚20mmの厚鋼板をＵプレス、Ｏブレスにより成形したのち、表２に示す低炭素系溶接ワイヤ、および表３に示す低酸素高塩基性フラックスを用い、4電極サブマージアーク溶接により表４に示す溶接条件で内面側、ついで外面側のシーム溶接を行い、ついで拡管し内径750mmの大径溶接鋼管を製造した。なお、溶接金属の化学組成を調整するために、フラックス中に金属粉末を混合した。
【００４４】
シーム溶接部の溶接金属について、内面側溶接金属中央部から分析試料を採取し、溶接金属の化学組成を調査した。その結果を表５に示す。また、シーム溶接部の溶接金属から、引張試験片(6mmφJIS A2号試験片)、衝撃試験片(JIS 4号)を採取し、引張強さおよび−20℃での吸収エネルギを求め、表６に示した。さらに、溶接部から試験片を採取し、溶接金属の断面について、光学顕微鏡観察により溶接金属の組織を調査し、さらに、溶接部の断面硬さを内面ビード中央について測定(ビッカース硬度10kg荷重)し最高硬さを求め、表６に併せて示した。
【００４５】
本発明例の溶接金属は、VＥ-20が80Ｊ以上で、引張強度が760MPa以上を満足し、Ｘ100級の特性を十分に有している。また、本発明例の溶接金属は、Ｈmaxも低く割れ感受性が低い。
また、比較例は、いずれも化学組成が本発明の範囲外で、VＥ-20が80Ｊ未満か、引張強度が760MPa以下となっており、Ｘ100級鋼管の溶接部として不適である。比較例は、強度、靱性が良くても溶接部の最高硬さが高くなっている。
以上説明したように本発明の方法によれば、Ｘ100級の強度と同時に優れた低温靱性を有する大径溶接鋼管が製造でき、厳しい環境下に敷設されるパイプラインに使用できるラインパイプを安定して供給できる工業的効果は大である。
【００４６】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【００５２】
図１は溶接金属中の酸素量と溶接金属の引張強さと−20℃における吸収エネルギ(VＥ-20)の関係を示すグラフである。
図２は溶接金属のTi含有量とアシキュラーフェライト量の関係を示すグラフである。
図３は溶接金属のTi含有量と−20℃における吸収エネルギ(VＥ-20)の関係を示すグラフである。
図４は溶接金属のＰWMと引張強さ、−20℃における吸収エネルギ(VＥ-20)の関係を示すグラフである。
図５は溶接金属の硬さ増加量と割れ感受性パラメータＰrhの関係を示すグラフである。
Claims (2)
- 重量％で、Ｃ:0.05〜0.10％、Si:0.1〜0.5％、Mn:1.2〜2.5％、Ｐ:0.010％以下、Ｓ:0.008％以下、Al:0.1％以下、Ti:0.008〜0.055％、Nb:0.1％以下、Ｖ:0.1％以下、Ｎ:0.010％以下、Ｏ:0.0035％以下を含み、さらに、Cu:0.2〜2.0％、Ni:0.2〜2.0％、Cr:0.2〜2.0％およびMo:0.05〜2.0％のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有し、かつ残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼板をＵＯ加工により成形したのち、重量％で、SiO 2 :20〜35％、MnO:3〜10％、CaO:10〜25％、MgO:2〜7％、CaF 2 :25〜40％、Al 2 O 3 :3〜14％、BaO:0〜5％からなる低酸素系フラックスおよび重量％で、Ｃ:0.01〜0.10％を含有する低炭素系溶接ワイヤを用いて、内面ついで外面から１パス潜弧溶接を施し、さらに拡管して大径溶接鋼管とする大径溶接鋼管の製造方法において、前記１パス潜弧溶接により得られる溶接金属が、重量％で、Ｃ:0.02〜0.10％、Si:0.1〜0.6％、Mn:1.0〜2.7％、Ｐ:0.02％以下、Ｓ:0.02％以下、Al:0.02％以下、Ti:0.007〜0.028％、Ｖ:0.1％以下、Nb:0.06％以下、Ｎ:0.01％以下、Ｏ:0.011〜0.038％を含み、さらにCu:1.0％以下、Ni:2.0％以下、Cr:1.0％以下、Mo:1.0％以下、Ｂ:0.01％以下のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有し、さらに下記ＰWMが0.18〜0.33であり、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつアシキュラーフェライトが面積率で55％以上である組織を有する溶接金属であることを特徴とする高強度高靱性大径溶接鋼管の製造方法。
ＰWM=Ｐcm＋3.19Ti−1.02Ｏ
Ｐcm=Ｃ＋Si/30＋(Mn＋Cu＋Cr)/20＋Ni/60＋Mo/15＋Ｖ/10＋5Ｂ - 重量％で、Ｃ:0.05〜0.10％、Si:0.1〜0.5％、Mn:1.2〜2.5％、Ｐ:0.010％以下、Ｓ:0.008％以下、Al:0.1％以下、Ti:0.008〜0.055％、Nb:0.1％以下、Ｖ:0.1％以下、Ｎ:0.010％以下、Ｏ:0.0035％以下を含み、さらに、Cu:0.2〜2.0％、Ni:0.2〜2.0％、Cr:0.2〜2.0％およびMo:0.05〜2.0％のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼板を、ＵＯ加工により成形したのち、重量％で、SiO 2 :20〜35％、MnO:3〜10％、CaO:10〜25％、MgO:2〜7％、CaF 2 :25〜40％、Al 2 O 3 :3〜14％、BaO:0〜5％からなる低酸素系フラックスおよび重量％で、Ｃ:0.01〜0.10％を含有する低炭素系溶接ワイヤを用いて、内面ついで外面から１パス潜弧溶接を施し、さらに拡管して大径溶接鋼管とする大径溶接鋼管の製造方法において、前記１パス潜弧溶接により得られる溶接金属が、重量％で、Ｃ:0.02〜0.10％、Si:0.1〜0.6％、Mn:1.0〜2.7％、Ｐ:0.02％以下、Ｓ:0.02％以下、Al:0.02％以下、Ti:0.007〜0.028％、Ｖ:0.1％以下、Nb:0.06％以下、Ｎ:0.01％以下、Ｏ:0.011〜0.038％を含み、さらにCu:1.0％以下、Ni:2.0％以下、Cr:1.0％以下、Mo:1.0％以下、Ｂ:0.01％以下のうちから選ばれた１種又は２種以上を含有し、さらに下記ＰWMが0.18〜0.33でありさらに下記Ｐrhが2.8未満を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、かつアシキュラーフェライトが面積率で55％以上である組織を有する溶接金属であることを特徴とする高強度高靱性大径溶接鋼管の製造方法。
ＰWM=Ｐcm＋3.19Ti−1.02Ｏ
Ｐcm=Ｃ＋Si/30＋(Mn＋Cu＋Cr)/20＋Ni/60＋Mo/15＋Ｖ/10＋5Ｂ
Ｐrh=Cr＋Cu＋Ni＋2Mo＋10Ｖ＋7Nb＋5Ti
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