JP4134974B2

JP4134974B2 - 低温用高靱性ｕｏｅ鋼管

Info

Publication number: JP4134974B2
Application number: JP2004305367A
Authority: JP
Inventors: 伸夫手塚; 忠政山口
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: JP2005023429A

Description

本発明は、低温用高靱性ＵＯＥ鋼管に関し、詳しくは両面１層サブマージドアーク溶接により製造される低温用高靱性ＵＯＥ鋼管において、内面側、外面側ともに優れた低温靱性を有する低温用高靱性ＵＯＥ鋼管に関するものである。

近年エネルギー開発は極寒地にまで及んでおり、そこで使用されるラインパイプには極めて高い低温靱性が要求される。このラインパイプにおける溶接金属の低温靱性を確保するために最も効果的な方法としては、たとえば特許文献１に開示されているように、Mo，TiそしてＢなどを含む溶接材料を用いて溶接を行い、微細な溶接金属組織を得ることが有効であることが知られており、Mo−Ti−Ｂ系の溶接金属は低温靱性を要する鋼管の溶接部に広く用いられている。

また、溶接金属の成分組成だけでなく、その後のラインパイプに加える熱処理を適正化することにより低温靱性を確保する技術が特許文献２や特許文献３に開示されている。

しかしながら、Mo−Ti−Ｂ系の溶接金属とする場合は、両面１層溶接の場合、内面側溶接金属は外面側溶接により再熱され、その結果著しく脆化することが問題となっている。このような再熱脆化対策として、溶接金属の低酸素化を計ったり（特許文献４）、Mn，Moの添加を抑制し、その代わりにNiを添加したり（特許文献５）、Ceqを限定したうえで圧延条件を適正化する（特許文献６）技術が開示されている。
特開昭53−63238号公報特公平１−38851号公報特公平２−11654号公報特開昭59−156599号公報特開昭62−34694号公報特開昭61−266126号公報

しかしながら上記従来の技術はいずれも溶接金属を内外面同一とみなして成分調整しているため、本質的な解決にはなっていなかった。

本発明者らはこのMo−Ti−Ｂ系の溶接金属の再熱による脆化の原因を鋭意追求した。その結果の一部を図１に示す。同図は片面１層Mo−Ti−Ｂ系溶接金属に外面の溶接に相当する再現熱サイクルを付与した際の溶接金属再熱部の靱性と最高加熱温度の関係を示すものである。これより本発明者らは、Mo−Ti−Ｂ系の溶接金属は溶接のまま（以下AWと記す）では良好な靱性が得られるものの、800〜1200℃付近の温度に再熱された領域で靱性が著しく劣化することが明らかにした。

すなわち、この点の詳細な検討の結果、前述の従来のMo−Ti−Ｂ系の組成を有する溶接金属は、溶接ままの部分において微細なアシキュラーフェライト（以下AFと記す）組織であり、高靱性を示すが、800〜1200℃付近の温度に再熱された部分においては靱性の劣る上部ベイナイト（以下UBと記す）に変化し、靱性が大きく劣化することを明らかにしたのである。すなわち、再熱による靱性の劣化はUB組織の形成によるもので、溶接金属の焼入性が高いことに原因があると考えられる。

そこで本発明は、低温用高靱性ＵＯＥ鋼管の両面１層サブマージドアーク溶接法における上記従来技術の欠陥を克服し、外面溶接による加熱によっても脆化を防止し得る効果的なサブマージドアーク溶接技術を確立して、内面側、外面側ともに優れた低温靱性を有する低温用高靱性ＵＯＥ鋼管を提供することを目的とする。

本発明は、母材組成が、Ｃ：0.10wt％以下，Si：0.5wt％以下，Mn：2.0wt％以下，Cu：0.5wt％以下，Cr：0.5wt％以下，Ni：0.5wt％以下，Nb：0.07wt％以下，Ｖ：0.07wt％以下を含み、さらにMo：0.3wt％以下，Ti：0.1wt％以下，Ｂ：0.003 wt％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼材を、Ti−Ｂ系溶接用鋼ワイヤと、SiO₂−CaO−CaF₂系のフラックスとを用いて両面１層サブマージドアーク溶接により、
先に形成された
内面側溶接金属の組成が、Ｃ：0.08wt％以下，Si：0.5wt％以下，Mn：0.8〜1.8wt％，Cu：0.20wt％以下，Cr：0.20wt％以下，Ni：0.20wt％以下，Ｖ：0.05wt％以下，Nb：0.025wt％以下，Mo：0.2wt％以下，Ti：0.005〜0.03wt％，Ｂ：0.0005〜0.0030wt％，Ｎ：0.0080wt％以下，Ｏ：0.035wt％以下，残部Feおよび不可避的不純物からなりかつ下記の式で示されるＰcmが0.110〜0.170wt％であり、
後に形成された
外面側溶接金属の組成が、Ｃ：0.10wt％以下，Si：0.5wt％以下，Mn：0.8 〜1.8wt％，Cu：0.20wt％以下，Cr：0.20wt％以下，Ni：0.20wt％以下，Ｖ：0.05wt％以下，Nb：0.020wt％以下，Mo：0.1〜0.4wt％，Ti：0.005〜0.05wt％，Ｂ：0.0005〜0.0060wt％，Ｎ：0.0080wt％以下，Ｏ：0.035wt％以下，残部Feおよび不可避的不純物からなりかつ下記の式に示すＰcmが0.140〜0.200wt％であることを特徴とする低温用高靱性ＵＯＥ鋼管である。
記

本発明によれば、低温用高靱性ＵＯＥ鋼管の母材の化学成分ならびに両面１層サブマージドアーク溶接により形成される内面側および外面側溶接金属の化学成分をそれぞれ区別して限定したので、内外面ともに優れた低温靱性を有する低温用高靱性ＵＯＥ鋼管を得ることができる。

上記したような母材の化学成分の限定理由はつぎの通りである。

Ｃ：母材の強度と靱性に非常に大きな影響を及ぼす元素であり、0.10wt％を超えると靱性や延性に悪影響を及ぼすため、0.10wt％以下とした。

Si： Siは、鋼の脱酸過程で必然的に含まれる元素であるが、ＨＡＺ部の靱性向上のためには0.5wt％以下にすべきである。

Mn：母材の強度と靱性を同時に向上する極めて重要な元素であるが、2.0wt％を超えると偏析等により鋼材に悪影響を及ぼすために上限を2.0wt％とした。

Cu：母材の強度を確保するために必要な元素であるが、0.5wt％を超えて含有すると母材およびＨＡＺ部が硬化するため0.5wt％を上限とした。

Cr：母材の強度を確保するために必要な元素であるが、0.5wt％を超えて含有するとＨＡＺ部の靱性を劣化させるため0.5wt％を上限とした。

Ni：母材の強度と靱性を向上させる元素であるが、0.5wt％を超えて含有するとＨＡＺ部が硬化するため0.5wt％を上限とした。

Nb，Ｖ：母材およびＨＡＺ部の強度と靱性を確保するために添加されているが、Nb，Ｖ共に0.07wt％を超えると靱性に悪影響を及ぼすため、Nbを0.07wt％以下、Ｖを0.07wt％以下とした。

Mo： Moは、母材の強度を確保するために必要な元素であるが、0.3 wt％を超えて含有するとＨＡＺ部が硬化するために0.3wt％を上限とした。

Ti： Tiは、母材の靱性確保に必要な元素であるが、0.1wt％を超えて含有すると、逆に母材の靱性を劣化させるために、0.1wt％を上限とした。

Ｂ：Ｂは、圧延中にオーステナイト粒界に偏析して焼入性を上げる作用があるが、0.003wt％を超えるとＨＡＺ部の靱性を劣化させるために、上限を0.003wt％とした。

そして溶接金属の成分組成を限定した理由はつぎの通りである。

Ｃ：Ｃは高焼入性成分であり、その増加により炭化物やマルテンサイトが生成し、靱性は低下するので、内面側では0.08wt％以下、外面側では0.10wt％以下にする必要がある。

Si： Siは脱酸剤として添加され、溶接金属中にも含有される成分であるが、内面側、外面側ともに0.5wt％を超えると靱性は低下する。

Mn： Mnは脱酸剤および焼入性成分として必要であるが、内面側、外面側ともに0.8wt％未満ではその効果に乏しく、一方 1.8wt％を超えるとUBが生成し、靱性が低下する。

Cu： Cuは焼入性成分であり、母材希釈およびワイヤのメッキから混入する成分であるが、内面側、外面側ともに0.20wt％を超えて含有すると焼入性が過剰となり靱性を害するので、0.20wt％を上限とした。

Cr： Crは焼入性成分であり、母材希釈により含有されるが、内面側、外面側ともに0.20wt％を超えて含有すると焼入性が過剰となり靱性を害するので、0.20wt％を上限とした。

Ni： Niは焼入性成分であり、母材希釈により含有されるが、内面側、外面側ともに0.20wt％を超えて含有すると焼入性が過剰となり靱性を害するので、0.20wt％を上限とした。

Ｖ：Ｖは焼入性成分であり、母材希釈により含有されるが、内面側、外面側ともに0.05wt％を超えて含有すると焼入性が過剰となり靱性を害するので、0.05wt％を上限とした。

Nb： Nbは、母材希釈により含有されるが、内面側で0.025wt％、外面側で0.020wt％、を超えて含有すると靱性を害するので、靭性確保の観点から、内面側では0.025wt％、外面側では0.020wt％を上限とした。

Mo： Moは焼入性成分であり、組織を微細化して靱性を向上させるが、再熱によるUBの生成を助長することにより内面側溶接金属の靱性を低下させるので、内面側では0.2wt％以下に抑える必要がある。一方外面側では組織微細化による靱性改善のため最低0.1wt％は必要であるが、0.4wt％を超えて添加する焼入性が過剰となってマルテンサイト組織となり、靱性を害するので上限を0.4wt％とする。

Ti： Tiは微細なフェライトを形成させて靱性を向上させるが、内面側、外面側ともに 0.005wt％未満ではこの効果は乏しいので最低限 0.005wt％以上は必要である。一方、内面側では0.03wt％、外面側では0.05wt％を超えると固溶Tiが増加して炭化物、窒化物の析出により靱性は低下する。

Ｂ：Ｂは高焼入性成分であり、またTiとの相乗効果で微細なAFを形成させ、靱性を向上させるが、内面側、外面側ともに0.0005wt％未満ではこの効果に乏しく、内面側では0.0030wt％、外面側では0.0060wt％を超えるとマルテンサイトが生成し、靱性は低下する。

Ｎ：Ｎは溶接金属中に不可避的に含まれる成分であるが、Ｂを窒化して粒界フェライトの生成を促進し、靱性を低下させるので、内面側、外面側ともに0.0080wt％以下とする必要がある。

Ｏ：Ｏは溶接金属中に不可避的に含まれる成分であるが、内面側、外面側ともに0.035wt％を超えると溶接金属中の介在物の増加により靱性は低下する。

Ｐcm：Ｐcmは溶接金属の組成全体としての焼入性を示すものであり、焼入性が不足すると初析フェライトが析出して靱性が劣化する。このため、外面側では0.140wt％以上を必要とする。それに対し内面側は、外面側溶接により再熱されるので0.110wt％以上にする必要がある。また0.200wt％を超えて過大となると焼入性が過剰となるので溶接のままでも靱性が劣化する。さらに0.170〜0.200wt％の範囲では再熱時にUBが析出して靱性が劣化する。そこで再熱を受ける内面側では0.110〜0.170wt％に限定し、また再熱を受けない外面側では0.140〜0.200wt％に限定した。

なお、使用する溶接ワイヤとしては、Ｃ：0.08wt％以下，Si：0.5wt％以下，Mn：1.00〜2.00wt％，Mo：0.8wt％以下，Ti：0.10〜0.30wt％，Ｂ：0.01〜0.03wt％，残部Feおよび不可避的不純物からなるTi−Ｂ系溶接ワイヤ（溶接用鋼ワイヤ）が好ましい。

理由は以下のとおりである。

Ｃ：0.08wt％を超えると溶接金属の焼入性過剰となり靱性が劣化する。

Si：0.5wt％を超えると溶接金属の焼入性過剰となり靱性が劣化する。

Mn：1.00wt％未満では溶接金属の強度・靱性が十分でなく、2.00wt％を超えると溶接金属の焼入性過剰となり靱性が劣化する。

Mo：0.8wt％を超えると溶接金属の焼入性過剰となり靱性が劣化する。

Ti：0.10wt％未満では前述した溶接金属の最低Ti量が確保できず、0.30wt％を超えると固溶硬化、析出硬化により靱性が劣化する。

Ｂ：0.01wt％未満では前述した溶接金属の最低Ｂ量が確保できず、0.03wt％を超えると焼入性過剰となり靱性が劣化する。

使用するSiO₂−CaO−CaF₂系溶接フラックスとしては、SiO₂：20〜35wt％、CaO ：15〜40wt％、CaF₂：10〜30wt％を含むものが好ましい。これは塩基度を高めて溶接金属中の酸素量を低減するためである。

表１に示すような化学組成を有する板厚23.8mmのAPI規格Ｘ60クラスUOパイプ鋼板PA，PBを溶接するに際し、本発明法による実施例と、本発明法の限定要件を満たさない比較例とについて同一溶接条件で溶接を実施し、その靱性を比較した。この比較試験には表２に示すような化学組成の異なる溶融型フラックスと表３に示すような化学組成の異なるワイヤを組み合わせて４電極両面１層盛りサブマージドアーク溶接を行った。この場合の溶接条件は表４に示すとおりであり、その開先形状は図２に示すとおりである。

溶接終了後図３に示すように５mmサイズのシャルピー衝撃試験片を内面側、外面側溶接金属よりそれぞれ採取し、シャルピー衝撃試験を行った。表５に溶接金属の化学組成を示す。内面側、外面側溶接金属から採取した試料に基づく衝撃試験結果は表６に示した通りである。

表６より明らかなように、本発明による溶接金属では外面により再熱を受ける内面側と外面側ともに高い靱性を示す。

なお、内面側と外面側の溶接金属の組成およびＰcmを変えるにあたり、本実施例においては、内外面での溶接条件を同一としそれぞれ組成の異なる溶接ワイヤを使用することで対処したが、サブマージドアーク溶接では母材の溶け込みが大きいので、内外面で使用する溶接ワイヤの組成は同じとし溶接条件のほうをそれぞれ変えるというやり方で対処してもよい。

本発明は、パイプライン用鋼管特に極寒地で用いるパイプライン用鋼管に利用することができる。

溶接金属の靱性と最高加熱温度との関係を示す特性図である。本発明の実施例における開先形状を示す断面図である。本発明の実施例におけるシャルピー衝撃試験片採取位置を示す断面図である。

符号の説明

１外面側溶接金属衝撃試験片
２内面側溶接金属衝撃試験片

Claims

母材組成が、Ｃ：0.10wt％以下，Si：0.5wt％以下，Mn：2.0wt％以下，Cu：0.5wt％以下，Cr：0.5wt％以下，Ni：0.5wt％以下，Nb：0.07wt％以下，Ｖ：0.07wt％以下を含み、さらに
Mo：0.3wt％以下，Ti：0.1wt％以下，Ｂ：0.003wt％以下のうちから選ばれる１種または２種以上を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼材を、Ti−Ｂ系溶接用鋼ワイヤと、SiO₂−CaO−CaF₂系のフラックスとを用いて両面１層サブマージドアーク溶接により、
先に形成された
内面側溶接金属の組成が、Ｃ：0.08wt％以下，Si：0.5wt％以下，Mn：0.8〜1.8wt％，Cu：0.20wt％以下，Cr：0.20wt％以下，Ni：0.20wt％以下，Ｖ：0.05wt％以下，Nb：0.025wt％以下，Mo：0.2wt％以下，Ti：0.005〜0.03wt％，Ｂ：0.0005〜0.0030wt％，Ｎ：0.0080wt％以下，Ｏ：0.035wt％以下，残部Feおよび不可避的不純物からなりかつ下記の式で示されるＰcmが0.110〜0.170wt％であり、
後に形成された
外面側溶接金属の組成が、Ｃ：0.10wt％以下，Si：0.5wt％以下，Mn：0.8〜1.8wt％，Cu：0.20wt％以下，Cr：0.20wt％以下，Ni：0.20wt％以下，Ｖ：0.05wt％以下，Nb：0.020wt％以下，Mo：0.1〜0.4wt％，Ti：0.005〜0.05wt％，Ｂ：0.0005〜0.0060wt％，Ｎ：0.0080wt％以下，Ｏ：0.035wt％以下，残部Feおよび不可避的不純物からなりかつ下記の式に示すＰcmが0.140〜0.200wt％であることを特徴とする低温用高靱性ＵＯＥ鋼管。
記